Żywe fabryki

Żywe fabryki

Roman Fishman
"Popular Mechanics" №11, 2017

Świecące pajęczyny i jedwab z nanorurkami: naukowcy są gotowi zamienić zwierzęta i rośliny w fabryki do produkcji materiałów przyszłości.

Owady i pająki doskonalą umiejętność tkania włókien przez setki milionów lat, ucząc się tworzenia materiałów, które są niezwykle trwałe i lekkie, biokompatybilne i chemicznie obojętne. Szkoda, że ​​ich użycie przez człowieka od tysiącleci sprowadza się do banalnej produkcji tkanin jedwabnych – choć im lepiej znamy właściwości tych biowłókien, tym bardziej wygląda to jak przybijanie mikroskopu. Weź co najmniej wstęgę – materiał jest bardziej niezawodny niż stal (wytrzymałość na rozciąganie 1,0-2,7 GPa) i lżejszy niż włókno węglowe (gęstość 1,3-1,4 g / cm3). Jego właściwości są porównywalne z najlepszymi wersjami kevlaru, a nawet nowomagranymi włóknami, dodatkowo wzmocnionymi molekularnymi "węzłami" na łańcuchach polimerowych. Świetne ubrania i kable, wytrzymałe biodegradowalne torby, struny chirurgiczne, a nawet kamizelki kuloodporne wyjdą z sieci.

Te właściwości rosną ze złożonej struktury nici pająka. Białka pająka, takie jak spidroina, są wydzielane przez specjalne gruczoły i składają się głównie z aminokwasów glicyny i alaniny.Gdy sekrecja twardnieje w powietrzu, mała i mobilna glicyna tworzy elastyczną i amorficzną strukturę podstawową, podczas gdy alanina jest zorganizowana w silne domeny "krystaliczne", które mogą być dodatkowo połączone z mostkami siarczkowymi reszt aminokwasowych seryny. Jest to prawdziwy biokompozyt, którego złożona struktura pozwala uzyskać unikalne cechy. Dodatkowe cząsteczki mogą być zawarte w amorficznej bazie, nadając jej nowe właściwości: na przykład pirolidyna odstrasza mrówki, a jednocześnie aktywnie absorbuje wodę, utrzymując wstęgę w optymalnie uwodnionym stanie.

Wzmocnienie

Obecność takich "stopowych" związków nie jest rzadka w przypadku naturalnych polimerów. Wtrącenia metali wzmacniają szczęki niektórych owadów, a kryształy mineralne sprawiają, że zęby ślimaków są najbardziej wytrzymałe ze wszystkich naturalnych materiałów. Nie jest zaskakujące, że naukowcy starają się również poprawić właściwości sieci, wprowadzając sztuczne dodatki – nanocząsteczki, nanorurki węglowe, a nawet półprzewodnikowe mikrokryształy kadmu, których powłoka sprawiła, że ​​wstęga fluoryzuje. Z reguły są one po prostu rozpylane na nici.Nie było możliwe wstrzyknięcie cząsteczek do jego struktury, dopóki włoski fizyk Nicola Puño nie pokropił zwierząt wodą z płatkami grafenowymi i nanorurkami.

W 2015 roku jego zespół był w stanie wykazać, że taka prosta metoda działa: niezbędne dodatki wpadły do ​​pajęczynówki, zwiększając w ten sposób jej wytrzymałość i wytrzymałość na rozciąganie. To podejście zostało natychmiast zastosowane przez chińskich naukowców, używając tej samej metody, aby uzyskać dwa razy mocniejsze włókna jedwabne. Tymczasem profesor Punio udoskonalił swoją metodę i we wrześniu 2017 opublikował wyniki badania nitek kilkunastu różnych pająków, które były podlewane nanostrukturami jednościennymi lub rozcieńczonymi grafenem. Maksymalne wskaźniki ich wstęgi okazały się znacznie lepsze od wskaźników naturalnych: dzięki nanorurkom, jedna z nici potrafiła wytrzymać obciążenie do 5400 MPa i pochłonęła do 1567 J / g energii przed zapadnięciem. "Naturalna procedura wzmocnienia może być również zastosowana dla innych zwierząt i roślin", Puño i współautorzy jego pracy są pewni, "co doprowadzi do powstania nowej klasy innowacyjnych kompozytów bionicznych."

Produkcja

Włoski profesor próbował połączyć nanotechnologię i biotechnologię przez ponad rok. On nawet opatentował metodę produkcji porowatej gumy "wzmocnionej" nanorurkami, w których wgłębienia powstają w wyniku fermentacji drożdży. Teraz Punio wydaje się zamieniać żywe organizmy w przyjazne środowisku fabryki z zaawansowanymi materiałami. W rzeczywistości biokompozyty, takie jak zęby chitynowe mięczaków lub pajęczyny z mięczaków brzusznych, przewyższają wiele sztucznych analogów, a naukowcy nie zrezygnowali z prób stworzenia technologii dla ich syntezy przemysłowej i modyfikacji. Z gruczołów pająkowych udaje się wydobyć spidroinę i wykorzystać ją do tworzenia pasm włókien za pomocą metod elektrostatycznych i innych. Jednak wszystkie te podejścia są złożone, laboratoryjne i skalowanie ich do opłacalnej ekonomicznie produkcji nie jest jeszcze możliwe.

A czy są potrzebne, jeśli efektywni producenci naturalni pełzają, pływają i po prostu rosną: ślimaki fabryk chitynowych, pająkowate dawcy spidroiny, wzmocnione nanowłóknami … Nasze pytanie brzmiało, jakiego rodzaju materiały można "ulepszyć" w ten sposób, Nikola Puño odpowiedział: "Tak, dosłownie wszystko, w tym naturalna zbroja chrząszczy, drewna, itp.p. "Zdaniem naukowca takie rozwiązania nie tylko pozwolą osiągnąć najlepsze właściwości materiałów, ale także sprawią, że będą bezpieczne w użyciu nawet w medycynie. A co powiesz na zwiększenie siły naszych kości przez wprowadzenie do nich nanorurek?" Jak dotąd brzmi to zbyt fantastycznie, – mówi profesor Punio, ale nigdy nie mów "nigdy".

Jakich nieistniejących materiałów oczekujesz od najbliższej przyszłości?

Artem Oganov, chemik, specjalista od komputerowego projektowania nowych materiałów:

Nr 1. Nadprzewodniki. Istniała realna nadzieja na tworzenie substancji, które zachowują zerową odporność nawet w zwykłej temperaturze i ciśnieniu. Obliczenia będą odgrywać kluczową rolę w ich wyszukiwaniu – na przykład rekordowy nadprzewodnik wysokotemperaturowy H3S (-70 ° C) był teoretycznie przewidywany przez chińskich naukowców, którzy stosowali moją metodę, a dopiero potem ją syntetyzowali. Wraz z nadejściem nadprzewodników w pokoju nastąpi rewolucja, a konsekwencje każdej rewolucji będą nieprzewidywalne.

№ 2. Termoelektryki – materiały, które zamieniają ciepło na energię elektryczną. Istnieje teraz, ale ich użycie jest ograniczone ze względu na niską wydajność.Jeśli uda się zwiększyć wydajność co najmniej dwukrotnie, zostaną otwarte zupełnie nowe nisze: termoelektryki będą zbierać pasożytnicze ciepło w samochodach i samolotach, zapewnią ubrania w systemie "klimatyzacji". Obliczenia pokazują, że jest to całkiem możliwe.

№ 3. Materiały do ​​fotokatalizy. Pod wpływem światła stają się podekscytowane i mogą przyspieszyć takie reakcje, jak na przykład rozszczepienie wody w celu wytworzenia wodoru lub synteza sztucznej benzyny z wody i CO.2. Konsekwencje są jasne – rewolucja w sektorze energetycznym.

№ 4. Nowe magnesy. Prawie wszystkie dobre magnesy to drogie i trudne do wydobycia pierwiastki ziem rzadkich. Naprawdę chcę się tego pozbyć, aw najbliższej przyszłości to zadanie można rozwiązać. Jeśli to również uda się poprawić efektywność (czy jest to możliwe, a nie jest jasne, że istnieją wątpliwości), zasadniczo nowe typy silników będą dostępne. "


Like this post? Please share to your friends:

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: