Создан суперлёд прочнее бетона
Лед дешев, его много, и он на удивление тверд — и одновременно хрупок. Трещины распространяются в нем с поразительной скоростью — и лед разлетается на мелкие осколки.
Эта проблема решена в новом композитном материале под названием BioPykrete. Армированный лед примерно в 10 раз прочнее обычного и поглощает почти в 70 раз больше энергии до разрушения. Разработка описана в журнале Colloids and Surfaces B: Biointerfaces.
Под нагрузкой такой «суперлед» не крошится и рассыпается, а гнется и плавно ломается — свойство, которое однажды может сделать его полезным как строительный материал в самых холодных уголках Земли.
Идея армировать лед не нова. Во время Второй мировой войны исследователи экспериментировали с пайкритом — смесью льда и древесных опилок, которая была прочнее обычного льда и медленнее таяла. Из него даже хотели построить авианосец.
В Еврейском университете в Иерусалиме эту концепцию реализовали по-новому — на молекулярном уровне. Взяли нанокристаллы целлюлозы, с помощью бактерий с геном рыбы получили клейкий белок, размешали все это с водой — и аккуратно заморозили суспензию. При замерзании смеси наноцеллюлоза образовала трехмерную сеть, а химерный белок склеил ее со льдом.
Белок CBM3a-AFPIII назван химерным, потому что состоит из двух функциональных частей — лед-связывающей от американской бельдюги Zoarces americanus и целлюлозо-связывающей от бактерии Clostridium thermocellum.
a) Схема субъединиц белка
b) Процесс получения рекомбинантного белка
c) Анализ химеры, полученной в колбах (дорожка 1) или в ферментере (дорожка 2)
«Мы хотели не просто смешать волокна со льдом, а соединить их на молекулярном уровне. Результат меняет не только прочность льда, но и особенности его разрушения. Вместо того чтобы внезапно рассыпаться, он может поглощать гораздо больше энергии и деформироваться постепенно», — пояснил профессор Идо Браславский, руководивший исследованием.
В обычном льде даже крошечная трещина может быстро пронизать его насквозь со всеми вытекающими последствиями. В BioPykrete целлюлозная сеть и белковые связи, по-видимому, замедляют эти трещины и препятствуют их распространению.
Лабораторные испытания показали, что BioPykrete примерно в 10 раз прочнее чистого льда при сжатии, достигая прочности, сравнимой с обычным бетоном. Чтобы раздавить суперлед, его нужно сжать намного сильнее обычного. Выработанный кишечной палочкой рыбий белок удвоил и прочность, и энергию, которую материал может поглотить, по сравнению с аналогичной смесью льда и целлюлозы без молекулярных связей.
Разработчики BioPykrete видят свое детище в основном в качестве стройматериала для Арктики и Антарктики, куда везти бетон, сталь и другие традиционные материалы дорого и сложно. А поскольку новинка состоит из льда и ингредиентов биологического происхождения — это сводит на нет какой бы то ни было экологический вред.
До строительства домов из BioPykrete пока далеко. Материал все еще остается доказательством концепции и должен пройти дальнейшие испытания. Нужно выяснить, как он ведет себя в долгосрочной перспективе, как реагирует на многократное замораживание и оттаивание и не меняет ли медленно форму под постоянным давлением. Будущие исследования также изучат, как трещины движутся через материал, и проверят новые белки и методы замораживания, которые могли бы сделать этот «суперлед» еще прочнее.
