Material som är både starka och lätta skulle kunna förbättra allt från bilar till karossskydd. Men vanligtvis utesluter de två egenskaperna varandra. Nu har forskare och kollegor från University of Connecticut utvecklat ett utomordentligt starkt, lätt material med två osannolika byggstenar:DNA och glas.
"För den givna densiteten är vårt material det starkaste kända", säger Seok-Woo Lee, en materialforskare vid UConn. Lee och kollegor från UConn, Columbia University och Brookhaven National Lab rapporterade detaljerna den 19 juli i Cell Reports Physical Science .
Styrka är relativ. Järn kan till exempel ta sju ton tryck per kvadratcentimeter. Men den är också väldigt tät och tung och väger 7,8 gram/kubikcentimeter. Andra metaller, som titan, är starkare och lättare än järn. Och vissa legeringar som kombinerar flera element är ännu starkare. Starka, lätta material har möjliggjort lättviktsskydd, bättre medicinsk utrustning och gjort säkrare, snabbare bilar och flygplan.
Det enklaste sättet att utöka räckvidden för ett elfordon är till exempel inte att förstora batteriet utan snarare göra själva fordonet lättare utan att ge avkall på säkerhet och livslängd. Men traditionell metallurgisk teknik har nått en gräns under de senaste åren, och materialforskare har varit tvungna att bli ännu mer kreativa för att utveckla nya lätta höghållfasta material.
Nu rapporterar Lee och kollegor att genom att bygga en struktur av DNA och sedan belägga den med glas har de skapat ett mycket starkt material med mycket låg densitet. Glas kan tyckas vara ett överraskande val, eftersom det lätt går sönder. Men glaset spricker vanligtvis på grund av ett fel - som en spricka, repa eller saknade atomer - i dess struktur. En felfri kubikcentimeter glas klarar 10 ton tryck, mer än tre gånger det tryck som imploderade Oceangate Titans dränkbara vatten nära Titanic förra månaden.
Det är väldigt svårt att skapa en stor glasbit utan brister. Men forskarna visste hur man gör mycket små felfria bitar. Så länge glaset är mindre än en mikrometer tjockt är det nästan alltid felfritt. Och eftersom densiteten hos glas är mycket lägre än metaller och keramik, bör alla strukturer gjorda av felfritt glas i nanostorlek vara starka och lätta.
Teamet skapade en struktur av självmonterande DNA. Nästan som Magnatiles knäppte bitar av DNA av specifika längder och kemi ihop sig till ett skelett av materialet. Föreställ dig ramen till ett hus eller en byggnad, men gjord av DNA.
Oleg Gang och Aaron Mickelson, nanomaterialforskare vid Columbia University och Brookhavens Center for Functional Nanomaterials, belade sedan DNA:t med ett mycket tunt lager av glasliknande material som bara var några hundra atomer tjockt. Glaset täckte bara DNA-strängarna, vilket lämnade en stor del av materialvolymen som tomt utrymme, ungefär som rummen i ett hus eller en byggnad.
DNA-skelettet förstärkte den tunna, felfria beläggningen av glas vilket gjorde materialet mycket starkt, och hålrummen som utgör det mesta av materialets volym gjorde det lätt. Som ett resultat har glasnanogitterstrukturer fyra gånger högre hållfasthet men fem gånger lägre densitet än stål. Denna ovanliga kombination av lätt och hög styrka har aldrig uppnåtts tidigare.
"Förmågan att skapa designade 3D-ramverksnanomaterial med hjälp av DNA och mineralisera dem öppnar enorma möjligheter för tekniska mekaniska egenskaper. Men mycket forskningsarbete krävs fortfarande innan vi kan använda det som en teknologi", säger Gang.
Teamet arbetar för närvarande med samma DNA-struktur men ersätter glas med ännu starkare karbidkeramik. De har planer på att experimentera med olika DNA-strukturer för att se vilket som gör materialet starkast.
Framtida material baserade på samma koncept lovar mycket som energibesparande material för fordon och andra enheter som prioriterar styrka. Lee tror att DNA-origami nanoarkitektur kommer att öppna en ny väg för att skapa lättare och starkare material som vi aldrig har föreställt oss förut.
"Jag är ett stort fan av Iron Man-filmer, och jag har alltid undrat hur man skapar en bättre rustning för Iron Man. Det måste vara väldigt lätt för honom att flyga snabbare. Det måste vara väldigt starkt för att skydda honom från fiendens attacker. Vårt nya material är fem gånger lättare men fyra gånger starkare än stål Så våra glasnanogitter skulle vara mycket bättre än något annat strukturellt material för att skapa en förbättrad rustning för Iron Man."
Mer information: Aaron Michelson et al, Höghållfast, lätt nanoarkitekturerad kiseldioxid, Cell Reports Physical Science (2023). DOI:10.1016/j.xcrp.2023.101475
Journalinformation: Cell Reports Physical Science
Tillhandahålls av University of Connecticut
