Команда науковців розробила новий різновид армованого льоду, який за міцністю на стискання наближається до звичайного бетону та значно менше кришиться. Матеріал під назвою BioPykrete приблизно у 10 разів міцніший на стиск за чистий лід і може поглинати близько 70 разів більше енергії перед руйнуванням. Про роботу повідомляє видання SciTechDaily.
На відміну від звичайного льоду, який легко тріскається і розсипається, BioPykrete деформується та руйнується поступово. Це робить його потенційно придатним як незвичний будівельний матеріал для екстремальних полярних умов, хоча його довготривала надійність поки що залишається під питанням.
Як влаштований «суперлід» BioPykrete
Незвичайні властивості матеріалу забезпечують целюлозні нанокристали — крихітні жорсткі частинки, отримані з природної целюлози, що надає рослинам механічної міцності. Під час замерзання вони утворюють тривимірну сітку, яка оточує мікроскопічні ділянки льоду.
Щоб посилити зв’язок між льодом і целюлозою, дослідники спроєктували спеціальний білок із двома окремими ділянками: одна приєднується до кристалів льоду, інша — до целюлози. Такий молекулярний «міст» закріплює армувальну сітку в товщі льоду, створюючи більш щільну й узгоджену структуру.
Додавання цього білка подвоїло як міцність, так і здатність матеріалу поглинати енергію порівняно з подібною сумішшю, що містила целюлозу, але не мала інженерного білка.
Чому BioPykrete краще чинить опір тріщинам
Звичайний лід часто руйнується раптово: дрібні тріщини швидко поширюються його кристалічною решіткою, спричиняючи миттєве крихке руйнування. У BioPykrete целюлозна сітка створює перешкоди, які можуть зупиняти або перенаправляти такі тріщини.
Науковці припускають, що білкові «містки» роблять цю сітку жорсткішою та стійкішою до деформації чи розриву. Через це для поширення тріщин потрібно значно більше енергії, і матеріал не розсипається миттєво, а руйнується поетапно.
Структуру «суперльоду» вивчали за допомогою сканувального електронного мікроскопа: зображення висушених зразків показали розгалужену мережу з целюлозних нанокристалів. Дослідники також порівняли розміри пор у сітці для різних варіантів білків, щоб зрозуміти, як саме змінюється мікроструктура матеріалу.
Від Пайкриту часів Другої світової до BioPykrete
Ідея посилювати лід волокнистими добавками не нова. Під час Другої світової війни вчені експериментували з матеріалом під назвою Пайкрит (Pykrete) — сумішшю льоду та деревної маси, яка була міцнішою та повільніше танула, ніж звичайний лід.
BioPykrete розвиває цю концепцію, але замість грубих деревних волокон використовує нанорозмірне армування та спеціально спроєктовані молекулярні зв’язки. Це має покращити механічні властивості та керованість структури матеріалу на мікрорівні.
Чи стане армований лід будівельним матеріалом
Дослідники бачать потенційні застосування BioPykrete в Арктиці та Антарктиці, де доставка традиційних будівельних матеріалів на кшталт бетону й сталі є дорогою та складною. Оскільки композит складається переважно з льоду та рослинної целюлози, у перспективі він може стати біорозкладною альтернативою з меншим вуглецевим слідом для деяких конструкцій у надзвичайно холодних регіонах.
Втім, наразі це лише експериментальний зразок. Навіть вражаючі лабораторні результати ще не доводять, що матеріал витримає роки реальної експлуатації. Потрібно з’ясувати, як він поводиться за багаторазових циклів замерзання й танення, тривалого навантаження та повільної деформації під постійним тиском.
У майбутніх експериментах команда планує детальніше дослідити, як саме розвиваються тріщини всередині армованої структури, а також перевірити, чи можуть інші білки або інші режими заморожування ще більше покращити властивості BioPykrete. Відповіді на ці запитання покажуть, чи зможе «суперлід» вийти за межі лабораторії та стати реальним будівельним матеріалом для полярних регіонів.