Bizarný materiál na báze DNA je štyrikrát pevnejší ako oceľ

Materiály, ktoré sú pevné a zároveň ľahké, by mohli zlepšiť všetko od automobilov až po pancier. Tieto dve vlastnosti sa však zvyčajne navzájom vylučujú. Výskumníci z Connecticutskej univerzity a ich kolegovia teraz vyvinuli mimoriadne pevný a ľahký materiál s použitím dvoch zvláštnych stavebných prvkov: DNA a skla. Pevnosť je relatívna. Napríklad železo znesie tlak 7 ton na štvorcový centimeter. Zároveň je však veľmi husté a ťažké, jeden kubický centimeter má hmotnosť 7,8 gramu. Iné kovy, napríklad titán, sú pevnejšie a ľahšie ako železo. A niektoré zliatiny kombinujúce viacero prvkov sú ešte pevnejšie.

Silné a ľahké materiály umožnili vytvoriť ľahké panciere, lepšie zdravotnícke pomôcky a vyrobiť bezpečnejšie a rýchlejšie autá a lietadlá. Výskumníci z Connecticutskej univerzity uvádzajú, že vytvorením štruktúry z DNA a jej následným pokrytím sklom vytvorili veľmi pevný materiál s veľmi nízkou hustotou. Sklo sa môže zdať prekvapivou voľbou, pretože sa ľahko rozbije. Zvyčajne sa však rozbije pre chybu, ako je prasklina, škrabanec alebo chýbajúce atómy v jeho štruktúre. Bezchybný kubický centimeter skla vydrží tlak 10 ton, čo je viac ako trojnásobok tlaku, pre ktorý minulý mesiac implodovala ponorka Oceangate Titan v blízkosti Titanicu.

Je veľmi ťažké vytvoriť veľký kus skla bez chýb. Vedcom sa však podarilo vyrobiť veľmi malé bezchybné kúsky. Pokiaľ je sklo hrubé menej ako jeden mikrometer, je takmer vždy bezchybné. A keďže hustota skla je oveľa nižšia ako hustota kovov a keramiky, všetky štruktúry vyrobené z bezchybného nanoskla by mali byť pevné a ľahké. Tím vytvoril štruktúru zo samoorganizujúcej sa DNA. Kúsky DNA špecifickej dĺžky a chemického zloženia sa samy zopli do kostry materiálu.

Oleg Gang a Aaron Mickelson, vedci zaoberajúci sa nanomateriálmi na Kolumbijskej univerzite a v Brookhavenskom centre pre funkčné nanomateriály, potom DNA pokryli veľmi tenkou vrstvou materiálu podobného sklu s hrúbkou len niekoľko stoviek atómov. Sklo pokrylo iba vlákna DNA, pričom veľkú časť objemu materiálu tvoril prázdny priestor. Kostra DNA vystužovala tenkú vrstvu bezchybného skla, vďaka čomu bol materiál veľmi pevný, a prázdne priestory tvoriace väčšinu objemu materiálu ho robili ľahkým.

Výsledkom je, že nanoštruktúra skla má štyrikrát vyššiu pevnosť, ale päťkrát nižšiu hustotu ako oceľ. Takáto nezvyčajná kombinácia nízkej hmotnosti a vysokej pevnosti nebola doteraz nikdy dosiahnutá. Tím v súčasnosti pracuje s rovnakou štruktúrou DNA, ale sklo nahrádza ešte pevnejšou karbidovou keramikou. Majú v pláne experimentovať s rôznymi štruktúrami DNA, aby zistili, vďaka ktorým je materiál najpevnejší. Budúce materiály založené na rovnakom koncepte sú veľkým prísľubom ako energeticky úsporné materiály pre vozidlá a iné zariadenia, ktoré si vyžadujú pevnosť. Výskum bol publikovaný v časopise Cell Reports Physical Science.

Zdroj: today.uconn.edu.