Кампус Еврейского университета в Иерусалим 3 августа 2023 г. Фото Йоава Дудкевича/TPS-IL
Это достижение может в конечном итоге решить практическую проблему в некоторых из самых отдаленных и замерзших регионов мира: транспортировку обычных строительных материалов. Бетон, сталь и другие материалы могут быть тяжелыми, дорогими и трудными для доставки в арктические и антарктические районы.
Лед, напротив, обилен и доступен на месте, но обычно слишком хрупок для конструктивного использования. BioPykrete потенциально может сделать возможным создание временных или специализированных сооружений в местах, где транспортировка обычных материалов особенно затруднена.
Исследование, опубликованное в рецензируемом журнале Colloids and Surfaces B: Biointerfaces, возглавил профессор Идо Браславски из Еврейского университета в Иерусалиме. Другие члены исследовательской группы были из Швейцарской федеральной политехнической школы Лозанны, Техниона и Университета имени Бен-Гуриона в Негеве.
Делаем лед прочнее
По мере замерзания BioPykrete нанокристаллы целлюлозы образуют трехмерную сеть внутри льда. Разработанный белок соединяет два материала на молекулярном уровне, причем одна его часть прикрепляется ко льду, а другая — к целлюлозе.
«Мы хотели выйти за рамки простого смешивания волокон со льдом и вместо этого контролировать, как различные материалы соединяются на молекулярном уровне», — сказал Браславски.
Эта связь, по-видимому, имеет решающее значение для производительности материала. Лабораторные испытания показали, что BioPykrete достиг прочности на сжатие в диапазоне, сопоставимом с обычным бетоном, что делает его примерно в 10 раз прочнее обычного льда при сжатии.
Его ударная вязкость была еще более поразительной: BioPykrete поглотил примерно в 70 раз больше энергии до разрушения, чем обычный лед.
Исследователи также сравнили композиты из льда и целлюлозы, изготовленные с использованием разработанного белка и без него. Добавление белка примерно удвоило как прочность материала, так и количество энергии, которое он мог поглотить до разрушения.
Разница заключается в том, что происходит, когда образуется трещина. В обычном льду трещина может быстро распространяться по материалу, вызывая его внезапное разрушение. В BioPykrete сеть целлюлозы создает препятствия, нарушающие путь трещины, в то время как белок укрепляет связь между льдом и целлюлозой, затрудняя прорыв трещины через армирующую сеть.
В исследовании белок описывается как «молекулярный биоадгезив», и сообщается, что армированная структура может «останавливать распространение трещин на уровне пор».
«Мы меняем не только то, насколько прочен лед, но и то, как он ломается», — сказал Браславски. «Вместо того чтобы внезапно разрушаться, он может поглощать гораздо больше энергии и деформироваться постепенно».
Исследователи видят возможные применения в арктических и антарктических условиях, где транспортировка обычных строительных материалов может быть сложной и дорогостоящей.
Однако BioPykrete остается лабораторным доказательством концепции, а не готовой заменой бетону. Необходимы дальнейшие исследования, чтобы определить, как он ведет себя в течение длительных периодов времени, в том числе при многократном замораживании и оттаивании, а также при постоянном давлении.
