Shkencëtarët zhvillojnë material tepër të lehtë 4 herë më të fortë se çeliku

Studiuesit zhvilluan një material të lehtë por të fortë duke kombinuar dy përbërës të papritur – ADN dhe xhami.
Puna në shkallë nano u siguron shkencëtarëve një kuptim dhe saktësi të thellë në hartimin dhe analizimin e materialeve. Në prodhim në shkallë më të gjerë, madje edhe në mjedise natyrore, materiale të shumta janë të ndjeshme ndaj defekteve dhe ndotësve që mund të komprometojnë arkitekturën e tyre të ndërlikuar. Dobësi të tilla mund të shkaktojnë thyerje të tyre nën presion. Kjo është veçanërisht e dukshme në shumicën e llojeve të qelqit, duke çuar në reputacionin e tij si një material i brishtë.

Shkencëtarët në Universitetin e Kolumbisë , Universitetin e Konektikatit dhe Laboratorit Kombëtar të Departamentit të Energjisë të SHBA-së (DOE) Brookhaven ishin në gjendje të prodhonin një formë të pastër qelqi dhe të mbulonin copa të specializuara të ADN-së me të për të krijuar një material që ishte jo vetëm më i fortë se çeliku, por tepër i lehtë. Materialet që zotërojnë të dyja këto cilësi janë të pazakonta dhe kërkimet e mëtejshme mund të çojnë në aplikime të reja inxhinierike dhe mbrojtëse. Rezultatet u publikuan në revistën Ce ll R eports Physical Science .

Në qeniet e gjalla, acidi deoksiribonukleik , i njohur më shpesh si ADN, mbart informacion biologjik që udhëzon qelizat e organizmave se si të formohen, rriten dhe riprodhohen. Materiali nga i cili përbëhet ADN-ja njihet si një polimer, një klasë materialesh të forta, elastike që përfshin plastikën dhe gomën. Elasticiteti dhe thjeshtësia e tyre kanë intriguar shkencëtarët e materialit dhe kanë frymëzuar shumë eksperimente interesante. Oleg Gang, një shkencëtar i materialeve në Qendrën për Nanomaterialet Funksionale (CFN), një Institucion i Përdoruesit të Zyrës së Shkencës në DOE në Brookhaven Lab dhe një profesor në Universitetin e Kolumbisë , ka përdorur për vite me radhë vetitë unike të ADN-së për sintezën e materialeve, duke rezultuar në zbulime të shumta. . Kjo teknologji e re ka frymëzuar një sërë aplikacionesh inovative – nga shpërndarja e barnave deri te elektronikë .

Gang kishte punuar më parë me autorin kryesor të gazetës, studiuesin postdoktoral në Brookhaven, Aaron Michelson, në një eksperiment duke përdorur strukturat e ADN-së për të ndërtuar një kornizë të fortë për materiale të reja. Molekulat e ADN-së sillen në një mënyrë interesante. Nukleotidet individuale, njësi bazë të acideve nukleike si ADN dhe ARN , diktojnë lidhjen midis sekuencave plotësuese. Mënyra e saktë e lidhjes së tyre me njëri-tjetrin i lejon shkencëtarët të zhvillojnë metoda për të inxhinieruar palosjen e ADN-së në forma specifike të referuara si ” origami “, të quajtur sipas artit japonez të palosjes së letrës. Këto forma të ADN-së janë blloqe ndërtimi në shkallë nano që mund të programohen duke përdorur lidhje të adresueshme të ADN-së për të ” vetë-montuar.” Kjo do të thotë se struktura të përcaktuara mirë me një model të përsëritur mund të formohen spontanisht nga këto blloqe të ADN-së origami.

Këto blloqe më pas ngjiten së bashku për të formuar një rrjetë më të madhe – një strukturë me një model të përsëritur. Ky proces i lejon shkencëtarët të ndërtojnë nanomateriale të renditura 3D nga ADN-ja dhe të integrojnë nanogrimca dhe proteina inorganike, siç tregohet nga studimet e mëparshme të grupit. Pasi fituan një kuptim dhe kontroll të këtij procesi unik të montimit, Gang, Michelson dhe ekipi i tyre më pas ishin në gjendje të eksploronin se çfarë mund të arrihej kur ajo skelë biomolekulare të përdorej për të krijuar korniza silicë që ruajnë arkitekturën e skelës.

“Ne u fokusuam në përdorimin e ADN-së si një nanomaterial i programueshëm për të formuar një skelë komplekse 3D,” tha Michelson, “dhe donim të eksploronim se si kjo skelë do të funksionojë mekanikisht kur transferohet në materiale më të qëndrueshme në gjendje të ngurtë. Ne hulumtuam që këtë material vetë-montues të derdhur në silicë, përbërësi kryesor në xhami dhe potencialin e tij.”

Puna e Michelson në këtë fushë i dha atij çmimin Robert Simon Memorial në Universitetin e Kolumbias. Hulumtimi i tij në kornizat e ADN-së ka eksploruar një sërë karakteristikash dhe aplikimesh, nga vetitë mekanike deri te superpërçueshmëria. Ashtu si strukturat mbi të cilat ai është ndërtuar, puna e Michelson vazhdon të rritet dhe të ndërtohet ndërsa merr shtresa të reja informacioni nga këto eksperimente emocionuese.

Pjesa tjetër e procesit të fabrikimit u frymëzua nga biomineralizimi – mënyra se si disa inde të gjalla prodhojnë minerale për t’u bërë më të forta, si kockat.

“Ne ishim shumë të interesuar të eksploronim se si mund të përmirësojmë vetitë mekanike të materialeve të rregullta, si qelqi, por duke i strukturuar ato në shkallë nano,” tha Gang.

Shkencëtarët përdorën një shtresë shumë të hollë qelqi silicë, vetëm rreth 5 nm ose disa qindra atome të trashë, për të veshur kornizat e ADN-së, duke lënë hapësirat e brendshme të hapura dhe duke siguruar që materiali që rezulton të jetë ultra i lehtë. Në këtë shkallë të vogël, xhami është i pandjeshëm ndaj të metave ose defekteve, duke siguruar një forcë që nuk shihet në copa më të mëdha xhami ku krijohen çarje dhe e bëjnë atë të thyhet. Ekipi donte të dinte saktësisht se sa i fortë ishte ky material, i cili, në këtë shkallë, kërkonte disa pajisje shumë të specializuara.

Ka mënyra të thjeshta për të kontrolluar nëse diçka është e qëndrueshme. Shtypja, shtyrja dhe mbështetja në sipërfaqe dhe vëzhgimi i sjelljes së tyre shpesh mund të japin informacion të dobishëm. A përkulen, kërcasin, shtrëngohen apo qëndrojnë të patundur nën stres? Kjo është një mënyrë e thjeshtë, por efektive për të kuptuar forcën e një objekti, edhe pa mjete për ta matur atë me saktësi. Megjithatë, si mund të shtypet një objekt që është shumë i vogël për t’u parë?

“Për të matur forcën e këtyre strukturave të vogla, ne përdorëm një teknikë të quajtur nanoindentation,” shpjegoi Michelson. “Nanoindentacioni është një provë mekanike në një shkallë shumë të vogël që kryhet duke përdorur një instrument preciz që mund të aplikojë dhe të masë forcat rezistente. Mostrat tona janë vetëm disa mikronë të trasha, rreth një e mijëta e milimetrit, kështu që është e pamundur të maten këto materiale me mjete konvencionale. Duke përdorur një mikroskop elektronik dhe nanoindentacion së bashku, ne mund të matim njëkohësisht sjelljen mekanike dhe të vëzhgojmë procesin e ngjeshjes.

Ndërsa pajisja e vogël ngjesh ose ngërthen mostrën, studiuesit mund të marrin matje dhe të vëzhgojnë vetitë mekanike. Më pas ata mund të shohin se çfarë ndodh me materialin kur kompresimi lirohet dhe kampioni kthehet në gjendjen e tij origjinale. Nëse ka ndonjë çarje që formohet ose nëse struktura dështon në ndonjë moment, këto të dhëna të vlefshme mund të regjistrohen.

Kur u vu në provë, rrjeta e ADN-së e veshur me xhami u tregua katër herë më e fortë se çeliku! Ajo që ishte edhe më interesante ishte se dendësia e saj ishte rreth pesë herë më e ulët. Ndërsa ka materiale që janë të forta dhe konsiderohen mjaft të lehta, nuk është arritur kurrë në këtë shkallë.

Sidoqoftë, kjo teknikë nuk ishte diçka që ishte gjithmonë e disponueshme në CFN.

“Ne bashkëpunuam me Seok-Woo Lee, një profesor i asociuar në Universitetin e Connecticut, i cili ka ekspertizë në vetitë mekanike të materialeve,” tha Gang. “Ai ishte një përdorues i CFN-së që shfrytëzoi disa nga aftësitë dhe burimet tona, si mikroskopët elektronikë, kështu që ne zhvilluam një marrëdhënie me të. Fillimisht nuk kishim aftësinë për nanoindentacion, por ai na çoi te mjetet e duhura dhe na çoi në rrugën e duhur. Ky është një shembull tjetër se si shkencëtarët nga akademia dhe laboratorët kombëtarë përfitojnë nga puna së bashku. Tani i kemi këto mjete dhe ekspertizë për t’i çuar studimet si ky edhe më tej.”

Ndërsa ka ende shumë punë për të bërë përpara se të rritet dhe të mendohet për morinë e aplikimeve për një material të tillë, ka ende arsye që shkencëtarët e materialeve të jenë të ngazëllyer për atë që do të thotë kjo për të ecur përpara. Ekipi planifikon të shikojë materiale të tjera, si qeramika karabit, që janë edhe më të forta se qelqi për të parë se si funksionojnë dhe sillen. Kjo mund të çojë në materiale të lehta edhe më të forta në të ardhmen.

Ndërsa karriera e tij është ende në fazat e hershme, Michelson ka arritur tashmë kaq shumë dhe tashmë është i etur të fillojë në fazat e ardhshme të kërkimit të tij.

“Është një mundësi e mrekullueshme për të qenë një postdoktor në Brookhaven Lab, veçanërisht pasi jeni student i Universitetit të Kolumbias, i cili do të punonte shpesh në CFN,” kujton Michelson. “Kjo është ajo që më shtyu të vazhdoj atje si postdoktor. Aftësitë që kemi në CFN, veçanërisht në lidhje me imazherinë, ndihmuan vërtet për të nxitur punën time.”