Członkowie zespołu badawczego postawili bowiem na strategię, w ramach której DNA posłużyło im jako szkielet do budowy niezwykle lekkiej i wytrzymałej struktury przypominającej szkło. Takie podejście pozwoliło uzyskać materiał, który przy znacznie niższej gęstości oferuje wyjątkowo wysoką wytrzymałość mechaniczną. Technologia ta może w przyszłości znaleźć zastosowanie chociażby w przemyśle lotniczym, motoryzacji czy przy produkcji lekkich konstrukcji.
Czytaj też: Wydrukowali materiał, który zachowuje się jak fragment żywego ciała
Pomysł wykorzystania DNA do tworzenia materiałów konstrukcyjnych może brzmieć jak scenariusz hollywoodzkiego filmu, jednak naukowcy już wcześniej pokazali, że cząsteczki DNA sprawdzają się jako precyzyjnie zaprojektowany szkielet dla struktur w nanoskali. Na pierwszy plan w tym kontekście wysuwa się technologia znana jako DNA origami. Pozwala ona ustawiać cząsteczki DNA w określone kształty, a następnie łączyć je w większe, uporządkowane struktury.
DNA stało się w tym przypadku czymś w rodzaju rusztowania. Na jego powierzchni naukowcy stworzyli niezwykle cienką warstwę krzemionki, czyli materiału będącego podstawowym składnikiem wielu rodzajów szkła. W ten sposób powstała trójwymiarowa nanostruktura, w której ogromną część objętości tworzy pusta przestrzeń. To właśnie połączenie cienkich ścianek i odpowiednio zaprojektowanej geometrii okazało się kluczowe.
Wytworzona struktura może być nawet około pięć razy lżejsza od stali, jednocześnie osiągając około czterokrotnie większą wytrzymałość w przeliczeniu na masę. Nie oznacza to jednak, że powstał materiał, który można po prostu zastąpić stalą w samochodach czy budynkach. Inżynierowie stworzyli przede wszystkim nanostrukturalny materiał demonstracyjny. Jego właściwości wynikają z bardzo precyzyjnej budowy, której nie da się jeszcze łatwo odtworzyć w dużej skali.
Ważna jest tutaj nanostruktura. Zamiast tworzyć masywny blok szkła, badacze budują przestrzenną sieć z niezwykle cienkich elementów. Dzięki temu można ograniczyć ilość materiału, zachowując jednocześnie wysoką odporność konstrukcji. Podobne podejście występuje w naturze. Wiele materiałów biologicznych osiąga wysoką wytrzymałość dzięki skomplikowanej strukturze wewnętrznej, a nie wyłącznie dzięki właściwościom chemicznym tworzących je substancji.
Czytaj też: Eksplozja w Hiroszimie stworzyła materiał, jakiego wcześniej nie znała nauka
Wykorzystanie DNA ma jeszcze jedną istotną zaletę. Cząsteczki można projektować tak, aby samoczynnie tworzyły określone układy. Oznacza to, że naukowcy mogą w pewnym stopniu zaprogramować strukturę materiału jeszcze przed jego powstaniem. To z kolei otwiera drzwi do tworzenia nowych materiałów o właściwościach dostosowanych do konkretnego zastosowania. W przyszłości podobne konstrukcje mogłyby być sprawdzać się tam, gdzie szczególnie ważne jest połączenie niskiej masy z wysoką wytrzymałością.
Co to oznacza w praktyce? Chociażby lekkie elementy pojazdów, konstrukcje lotnicze czy urządzenia, w których ograniczenie masy ma bezpośredni wpływ na zużycie energii. Materiały o wysokiej wytrzymałości i niewielkiej masie są szczególnie interesujące dla przemysłu, ponieważ pozwalają zmniejszać masę konstrukcji bez proporcjonalnego pogarszania jej właściwości mechanicznych. Do praktycznych zastosowań droga jest jednak jeszcze daleka. Obecne rozwiązanie działa przede wszystkim na poziomie nanostrukturalnym, a jednym z największych wyzwań pozostaje opracowanie sposobów produkcji takich materiałów w znacznie większej skali.
Źródło: Cell Reports Physical Science
