Работа на наноуровне дает исследователям много информации и контроля при изготовлении и характеристике материалов. В крупномасштабном производстве, а также в природе многие материалы обладают способностью к образованию дефектов и примесей, которые могут нарушить их сложную структуру. Это создает несколько слабых мест, которые могут легко сломаться под воздействием стресса. Это характерно для большинства видов стекла, вот почему оно считается таким деликатным материалом.
Ученые из Колумбийского университета, Университета Коннектикута и Брукхейвенской национальной лаборатории Министерства энергетики США (DOE) смогли изготовить чистую форму стекла и покрыть им специализированные фрагменты ДНК, чтобы создать материал, который был не только прочнее стали, но и невероятно легким. Материалы, обладающие обоими этими качествами, встречаются редко, и дальнейшие исследования могут привести к новым инженерным и оборонным применениям. Результаты были опубликованы в журнале Cell Reports Physical Science.
В живых организмах дезоксирибонуклеиновая кислота, более известная как ДНК, несет биологическую информацию, которая инструктирует клетки организмов о том, как формироваться, расти и размножаться. Материал, из которого изготовлена ДНК, известен как полимер, класс прочных и эластичных материалов, включающий пластик и резину. Их устойчивость и простота заинтриговали ученых-материаловедов и вдохновили на множество интересных экспериментов.
Олег Ганг, специалист по материаловедению в Центре функциональных наноматериалов (CFN), исследовательском центре Министерства энергетики США в Брукхейвенской лаборатории, и профессор Колумбийского университета, в течение многих лет использует уникальные свойства ДНК для синтеза материалов, что привело к многочисленным открытиям. Эта новая технология вдохновила на множество инновационных применений — от доставки лекарств до электроники.
Ранее Гэнг работал с ведущим автором статьи, постдокторским исследователем Брукхейвена Аароном Майкельсоном, над экспериментом с использованием структур ДНК для создания надежной основы для новых материалов.
Молекулы ДНК ведут себя интересным образом. Отдельные нуклеотиды, основные звенья нуклеиновых кислот, таких как ДНК и РНК, определяют связь между комплементарными последовательностями. Точный способ, которым они соединяются друг с другом, позволяет ученым разрабатывать методы инженерного сворачивания ДНК в определенные формы, называемые “оригами”, названные в честь японского искусства складывания бумаги.
Эти формы ДНК представляют собой наноразмерные строительные блоки, которые могут быть запрограммированы с использованием адресуемых связей ДНК для “самосборки”. Это означает, что из этих блоков ДНК-оригами могут самопроизвольно формироваться четко определенные структуры с повторяющимся рисунком.
Затем эти блоки соединяются вместе, образуя более крупную решетку — структуру с повторяющимся рисунком. Этот процесс позволяет ученым создавать трехмерные упорядоченные наноматериалы из ДНК и интегрировать неорганические наночастицы и белки, как показали предыдущие исследования группы. После получения понимания и контроля над этим уникальным процессом сборки Ганг, Майкельсон и их команда смогли исследовать, чего можно достичь при использовании биомолекулярных каркасов для создания кремнеземных каркасов, сохраняющих архитектуру каркаса.
“Мы сосредоточились на использовании ДНК в качестве программируемого наноматериала для формирования сложного трехмерного каркаса, – сказал Майкельсон, – и мы хотели исследовать, как этот каркас будет работать механически при переносе в более стабильные твердотельные материалы. Мы исследовали возможности этого самособирающегося материала, отлитого из кремнезема, основного ингредиента стекла, и его потенциал”.
Олег Ган (на фото сзади) и Аарон Майкельсон используют специализированные ресурсы CFN, чтобы измерить удивительную прочность этой новой структуры материала. Фото: Брукхейвенская национальная лаборатория
Работа Майкельсона в этой области принесла ему мемориальную премию Роберта Саймона Колумбийского университета. Его исследования структуры ДНК позволили изучить целый ряд характеристик и применений, от механических свойств до сверхпроводимости. Подобно структурам, на которых он строился, работа Майкельсона продолжает расти и совершенствоваться по мере того, как она получает новые слои информации из этих захватывающих экспериментов.
Следующая часть процесса изготовления была вдохновлена биоминерализацией — способом, которым определенные живые ткани вырабатывают минералы, чтобы стать тверже, как кости.
“Нам было очень интересно изучить, как мы можем улучшить механические свойства обычных материалов, таких как стекло, но структурируя их на наноуровне”, – сказал Ган.
Ученые использовали очень тонкий слой кварцевого стекла толщиной всего около 5 нм или несколько сотен атомов, чтобы покрыть каркасы ДНК, оставляя внутренние пространства открытыми и гарантируя, что полученный материал будет сверхлегким. В таком небольшом масштабе стекло нечувствительно к изъянам, обеспечивая прочность, которая не наблюдается в более крупных кусках стекла, где образуются трещины, приводящие к его разрушению. Однако команда хотела точно знать, насколько прочен этот материал, для чего в таких масштабах требовалось очень специализированное оборудование.
Прочность под давлением
Есть простые способы проверить, является ли что-то прочным. Тыкание, толкание и опирание на поверхности, а также наблюдение за их поведением часто могут дать полезную информацию. Сгибаются ли они, скрипят ли, прогибаются ли под нагрузкой или остаются твердыми? Это простой, но эффективный способ получить представление о прочности объекта даже без инструментов для ее точного измерения. Но как можно нажать на объект, который слишком мал, чтобы его можно было увидеть?
“Чтобы измерить прочность этих крошечных структур, мы использовали метод, называемый наноиндентированием”, – объяснил Майкельсон. “Наноиндентирование – это механическое испытание в очень малом масштабе, проводимое с использованием точного прибора, который может прикладывать и измерять силы сопротивления”.
“Толщина наших образцов составляет всего несколько микрон, около тысячной доли миллиметра, поэтому измерить эти материалы обычными средствами невозможно. Используя электронный микроскоп и наноиндентирование вместе, мы можем одновременно измерять механическое поведение и наблюдать за процессом сжатия”.
График, сравнивающий нанорешетку в этом эксперименте с относительной прочностью различных материалов. Фото: Брукхейвенская национальная лаборатория
По мере того как крошечное устройство сжимает образец или делает углубления, исследователи могут проводить измерения и наблюдать за механическими свойствами. Затем они могут увидеть, что происходит с материалом, когда сжатие ослабевает и образец возвращается в исходное состояние. Если образуются какие-либо трещины или конструкция в какой-либо момент выходит из строя, эти ценные данные могут быть записаны.
При испытании оказалось, что покрытая стеклом решетка ДНК в четыре раза прочнее стали! Что было еще более интересно, так это то, что его плотность была примерно в пять раз ниже. Хотя существуют материалы, которые являются прочными и считаются довольно легкими, это никогда не достигалось в такой степени.
Однако этот метод не всегда был легкодоступен в CFN.
“Мы сотрудничали с Сок-Ву Ли, адъюнкт-профессором Университета Коннектикута, который обладает опытом в области механических свойств материалов”, – сказал Ган.
“Он был пользователем CFN, который использовал некоторые из наших возможностей и ресурсов, таких как электронные микроскопы, и именно так у нас с ним сложились отношения. Изначально у нас не было возможностей для наноиндентирования, но он привел нас к соответствующим инструментам и вывел на правильный путь. Это еще один пример того, как совместная работа приносит пользу ученым из академических кругов и национальных лабораторий. Теперь у нас есть эти инструменты и опыт, позволяющие продвинуть подобные исследования еще дальше”.
Создаем что-то новое и захватывающее
Несмотря на то, что предстоит еще проделать большую работу, прежде чем расширять масштабы и думать о множестве применений такого материала, у материаловедов все еще есть причины для волнения по поводу того, что это означает в будущем. Команда планирует изучить другие материалы, такие как твердосплавная керамика, которые даже прочнее стекла, чтобы увидеть, как они работают и ведут себя. В будущем это может привести к созданию еще более прочных и легких материалов.
Хотя его карьера все еще находится на ранней стадии, Майкельсон уже многого достиг и уже горит желанием приступить к следующим этапам своих исследований.
“Это прекрасная возможность стать постдоком в Брукхейвенской лаборатории, особенно после того, как я был студентом Колумбийского университета и довольно часто работал в CFN”, – вспоминал Майкельсон. “Это то, что побудило меня продолжить там работу в качестве постдока. Возможности, которыми мы располагаем в CFN, особенно в том, что касается обработки изображений, действительно помогли продвинуть мою работу”.