Учёные США разработали новый материал: стекло с ДНК

Ученые из университетов Колумбии и Коннектикута, а также из Брукхейвенской национальной лаборатории Министерства энергетики США, разработали материал, который не только прочнее стали, но также обладает невероятной легкостью. Этот материал создан путём покрытия специализированных фрагментов ДНК чистым стеклом. Редко встречаются материалы, обладающие исключительно этими двумя качествами, и дальнейшие исследования могут привести к новым инженерным и оборонным применениям. Эти результаты были опубликованы в журнале Cell Reports Physical Science.

ДНК, известная как дезоксирибонуклеиновая кислота, несет биологическую информацию в живых организмах, указывая клеткам, как развиваться, расти и размножаться. Материал, составляющий ДНК, является полимером, аналогичным пластику и резине. Ученые-материалисты нашли интерес в его устойчивости и применили его в различных экспериментах.

Олег Ганг, профессор Колумбийского университета и исследователь Центра функциональных наноматериалов министерства энергетики США в Брукхейвенской лаборатории, уже долгое время использует уникальные свойства ДНК для синтеза материалов, что привело к множеству открытий. Новая технология, разработанная им, вдохновляет на создание инновационных приложений, от доставки лекарств до области электроники.

Ранее Ганг сотрудничал с Аароном Майкельсоном из Брукхейвена над экспериментом, в котором использовались структуры ДНК для создания прочных основ для новых материалов. Молекулы ДНК ведут себя особенным образом: они образуют комплементарные последовательности и могут складываться в определенные формы, называемые "оригами". Эти структуры ДНК могут быть запрограммированы для самосборки в наномасштабные блоки, которые затем объединяются в большие решётки с повторяющимися узорами. Этот процесс позволяет создавать трёхмерные наноматериалы из ДНК и интегрировать в них неорганические наночастицы и белки, как было продемонстрировано в предыдущих исследованиях.

Получив контроль над этим уникальным процессом сборки, Ганг, Майкельсон и их команда приступили к исследованию механических свойств материала, созданного из кремнезёма, основного компонента стекла.

"Мы сосредоточились на использовании ДНК в качестве программируемого наноматериала для формирования сложного трехмерного каркаса. Мы хотели изучить, как этот каркас будет себя вести механически в твёрдых материалах. Мы исследовали возможность самосборки этого каркаса из кремнезёма и его потенциал", — отмечает Аарон Майкельсон.

Работа Майкельсона в этой области была награждена Мемориальной премией Роберта Саймона от Колумбийского университета. Его исследования каркасов ДНК охватили широкий спектр характеристик и применений, включая механические свойства и сверхпроводимость. Эта работа продолжает развиваться, добавляя новые слои информации из увлекательных экспериментов.

Следующая часть производственного процесса была вдохновлена биоминерализацией, методом, который используется некоторыми живыми тканями для производства минералов и придания им большей твёрдости, как это происходит, например, в костях.

Олег Ганг проявил интерес к исследованию улучшения механических свойств обычных материалов, таких как стекло, путем их структурирования на наноуровне.

Для этого исследования ученые использовали тонкий слой кварцевого стекла, который был нанесён на рамки ДНК, оставляя внутренние полости открытыми, обеспечивая при этом низкую плотность материала и выдающуюся прочность на микроскопическом уровне. Этот материал не чувствителен к дефектам, что обычно приводит к трещинам в более крупных образцах стекла.

Для измерения механических свойств таких крошечных структур ученые применили метод наноиндентирования, который позволяет измерять силу и процессы сжатия на наномасштабе. Их исследования показали, что структуры ДНК, покрытые стеклом, в четыре раза прочнее стали, при этом сохраняя низкую плотность.

Это исследование позволяет нам рассмотреть возможность создания материалов, которые обладают исключительной прочностью и лёгкостью. Ученые планируют исследовать другие материалы, такие как карбидная керамика, чтобы выяснить, какие новые материалы можно разработать. Это может привести к созданию еще более прочных и легких материалов в будущем.