Світиться павутина і шовк з нанотрубками: вчені готові перетворити тварин і рослини в фабрики для виробництва матеріалів майбутнього.
Майстерність плетіння волокон комахи і павуки відточували сотні мільйонів років, навчившись створювати матеріали неймовірно міцні і легкі, біосумісні і хімічно інертні. Шкода, що застосування їх людиною вже тисячоліття зводиться до банального виробництва шовкових тканин - хоча чим краще ми дізнаємося властивості цих біоволокон, тим більше це схоже на забивання цвяхів мікроскопом. Взяти хоча б павутину - матеріал надійніше стали (межа міцності на розрив 1,0-2,7 ГПа) і легше вуглеволокна (щільність 1,3-1,4 г / см3). Її властивості можна порівняти з кращими варіантами кевлара і навіть новомодних волокон, додатково укріплених молекулярними «вузликами» на полімерних ланцюжках. З павутини вийшли б відмінна одяг і троси, міцні біорозкладні пакети, хірургічні нитки і навіть бронежилети.
Ці властивості виростають зі складної структури павукової нитки. Павутинні білки, такі як спідроін, виділяються спеціальними залозами і складаються в основному з амінокислот гліцину і аланіну. У міру того як на повітрі секрет твердіє, невеликий і рухливий гліцин утворює пружну і аморфну основу структури, тоді як аланін організовується в міцні «кристалічні» домени, які можуть додатково скріплюватися сульфідними містками амінокислотних залишків серину. Це справжній біокомпозіт, складна структура якого дозволяє домогтися унікальних характеристик. У аморфну основу можуть включатися і додаткові молекули, які надають павутині нові властивості: наприклад, піролідин відлякує мурах, а заодно активно поглинає воду, підтримуючи павутину в оптимально зволоженому стані.
армування
Наявність таких «легуючих» з'єднань не рідкість для природних полімерів. Включення металів зміцнюють щелепи деяких комах, а мінеральні кристали роблять зуби черевоногих морських блюдечек найміцнішим з усіх природних матеріалів. Не дивно, що і вчені намагаються поліпшити властивості павутини внесенням штучних добавок - наночастинок, вуглецевих нанотрубок і навіть напівпровідникових мікрокристалів телуриду кадмію, покриття з яких змусило павутину флуоресцировать. Як правило, їх просто напилюють на нитку. Впровадити частки в її структуру не вдавалося, поки італійсько-британський фізик Нікола Пуньо НЕ обприскали тварин водою з графенових пластівцями і нанотрубками.
У 2015 році його команді вдалося показати, що такий простий метод працює: потрібні добавки потрапляли в павутину нитка, в рази підвищивши її міцність і стійкість на розрив. Цим підходом відразу ж скористалися китайські вчені, застосувавши той же спосіб для отримання шовкових волокон вдвічі більшої міцності. Тим часом професор Пуньо удосконалив свій метод і в вересні 2017 опублікував результати вивчення ниток півтора десятка різних павуків, яких поїли водою з розведеними в ній одностінними нанотрубками або графеном. Максимальні показники їх павутини виявилися набагато краще, ніж у натуральній: завдяки нанотрубок одна з ниток зуміла витримати навантаження до 5400 МПа і поглинути до тисячі п'ятсот шістьдесят-сім Дж / г енергії, перш ніж зруйнуватися. «Процедуру природного армування можна використовувати і для інших тварин і рослин, - впевнені Пуньо і співавтори його роботи, - це призведе до появи нового класу інноваційних біонікомпозітов».
виробництво
Італійський професор намагається поєднати нано- та біотехнології вже не перший рік. Він навіть запатентував метод отримання «армованої» нанотрубками пористої гуми, порожнини в якій створює ферментація дріжджів. Тепер Пуньо, схоже, збирається перетворити живі організми в екологічно чисті фабрики перспективних матеріалів. Справді, такі біокомпозіти, як хитнув зуби черевоногих молюсків або павутина, перевершують багато штучні аналоги, і вчені не залишають спроб створити технології їх промислового синтезу і модифікації. З павутинних залоз їм вдається витягувати спідроін і використовувати його для формування волоконних ниток електростатичним і іншими методами. Однак все це підходи складні, лабораторні, і масштабувати їх в економічно виправдане виробництво поки не виходить.
Та й чи потрібні вони, якщо у нас під рукою повзають, плавають і просто ростуть ефективні природні виробники: черевоногі фабрики хітину, павукоподібні донори спідроіна, посиленого нановолокна ... На наше запитання, які саме матеріали можна було б «поліпшити» таким чином, Нікола Пуньо відповів: «Так буквально все, включаючи природну броню жуків, деревину і т. п.» За словами вченого, такі рішення не тільки дозволять добитися кращих властивостей матеріалів, а й зроблять їх безпечними для застосування навіть в медицині. Ну а як щодо підвищення фортеці наших кісток впровадженням в них нанотрубок? «Поки що це звучить занадто фантастично, - говорить професор Пуньо, - але, втім, ніколи не говори« ніколи »».
Яких поки що не існують матеріалів ви чекаєте від найближчого майбутнього?
Артем Оганов. Хімік, фахівець з комп'ютерного дизайну нових матеріалів
№ 1 Надпровідники. З'явилася реальна надія на створення речовин, які зберігають нульовий опір навіть при звичайних температурі і тиску. Ключову роль в їх пошуку будуть грати розрахунки - наприклад, рекордно високотемпературний надпровідник H3S (-70 ° C) був спочатку теоре> тично передбачений китайськими вченими за допомогою мого методу і лише потім синтезований. З появою кімнатних надпровідників відбудеться революція, а наслідки будь-якої революції непередбачувані.
№ 2 термоелектриків - матеріали, які перетворять тепло в електрику. Існують вже зараз, але їх застосування обмежено через малого ККД. Якщо вдасться збільшити ефективність хоча б удвічі, відкриються зовсім нові ніші: термоелектрики збиратимуть паразитное тепло в автомобілях і літаках, забезпечать одяг системою «клімат-контролю». Розрахунки показують, що це цілком можливо.
№ 3 Матеріали для фотокаталізу. Під дією світла вони переходять в збуджений стан і можуть прискорювати такі реакції, як, наприклад, розщеплення води з отриманням водню або синтез «штучного бензину» з води і CO2. Наслідки зрозумілі - революція в енергетиці.
№ 4 Нові магніти. Майже всі хороші магніти включають дорогі і складні у видобутку рідкоземельні елементи. Від цього дуже хочеться позбутися, і найближчим часом ця задача може бути вирішена. Якщо при цьому ще й вдасться підвищити ефективність (чи можливо це, поки неясно, тут є сумніви), стануть доступні принципово нові типи двигунів.
Стаття «Живі фабрики» опублікована в журналі «Популярна механіка» ( №11, Січень 2017 ).
Ну а як щодо підвищення фортеці наших кісток впровадженням в них нанотрубок?Яких поки що не існують матеріалів ви чекаєте від найближчого майбутнього?
