Živé továrne

Živé továrne

Roman Fishman
"Populárna mechanika" № 11, 2017

Žijúce pavučiny a hodváb s nanotrubkami: vedci sú pripravení zmeniť zvieratá a rastliny na továrne na výrobu materiálov budúcnosti.

Hmyz a pavúky zdokonalili schopnosť tkanie vlákien po stovky miliónov rokov, učiac sa vytvárať materiály, ktoré sú neuveriteľne silné a ľahké, biokompatibilné a chemicky inertné. Je škoda, že ich používanie človekom na tisíce rokov sa blíži k banálnej výrobe hodvábnych textílií – aj keď tým lepšie poznáme vlastnosti týchto biovlákien, tým viac to vyzerá ako zakrútenie mikroskopu. Zoberte aspoň tkaninu – materiál je spoľahlivejší ako oceľ (pevnosť v ťahu 1,0-2,7 GPa) a ľahšia ako uhlíkové vlákno (hustota 1,3-1,4 g / cm3). Jeho vlastnosti sú porovnateľné s najlepšími verziami Kevlaru a dokonca aj novým vláknam, dodatočne zosilnenými molekulárnymi "uzlami" na polymérových reťazcoch. Skvelé oblečenie a káble, trvanlivé biologicky odbúrateľné vrecia, chirurgické struny a dokonca aj pancierové pancierky by vyšli z webu.

Tieto vlastnosti rastú zo zložitej štruktúry pavúka. Proteíny pavúkov, ako napríklad spidroín, sú vylučované špeciálnymi žľazami a pozostávajú hlavne z aminokyselín glycín a alanín.Vzhľadom k tomu, že sekrécia sa vytvrdzuje vo vzduchu, malý a mobilný glycín vytvára elastickú a amorfnú základnú štruktúru, zatiaľ čo alanín je organizovaný do silných "kryštalických" domén, ktoré môžu byť naviac naviazané na sulfidové mostíky serínových aminokyselinových zvyškov. Ide o skutočný biokompozit, ktorého komplexná štruktúra umožňuje dosiahnuť jedinečné vlastnosti. V amorfnej báze môžu byť zahrnuté ďalšie molekuly, ktoré dávajú novým vlastnostiam tkanivo: napríklad pyrolidín vydesí mravce a súčasne aktívne absorbuje vodu a udržiava tkanivo v optimálne hydratovanom stave.

zosilnenie

Prítomnosť takýchto "legujúcich" zlúčenín nie je neobvyklá pre prírodné polyméry. Zahrnutie kovov posilňuje čeľuste niektorých hmyzu a minerálne kryštály vytvárajú zuby gastropodov morské taniere najtrvanlivejšie zo všetkých prírodných materiálov. Nie je prekvapujúce, že vedci sa tiež pokúšajú zlepšiť vlastnosti webu zavedením umelých prísad – nanočastíc, uhlíkových nanotrubičiek a dokonca aj polovodičových mikrokryštálov kadmia, ktorých povlak spôsobuje, že sa fluoreskuje. Spravidla sú jednoducho striekané na vlákno.Nie je možné vstreknúť častice do štruktúry, kým taliansko-britský fyzik Nicola Puño posype zvieratami vodou s grafénovými vločkami a nanotrubkami.

V roku 2015 jeho tím dokázal, že takáto jednoduchá metóda funguje: nevyhnutné aditíva spadli do arachnoidu, zvyšujúc trvanlivosť a pevnosť v ťahu. Tento prístup okamžite využili čínski vedci, ktorí používajú rovnakú metódu na získanie hodvábnych vlákien dvakrát tak silných. Medzitým profesor Punio zdokonalil svoju metódu a v septembri 2017 publikoval výsledky štúdií nití tuctu rôznych pavúkov, ktoré boli napojené s jednovrstvovými nanotrubkami alebo grafénom zriedeným v ňom. Maximálne ukazovatele na ich web sa ukázali byť oveľa lepšie ako prirodzené: vďaka nanotrubám sa jeden z nich podarilo vydržať zaťaženie až do 5400 MPa a absorbovať až 1567 J / g energie pred ich zničením. "Postup prirodzenej výstuže sa dá použiť aj pre iné zvieratá a rastliny," uvádza Puño a spoluautorov jeho práce, "to povedie k vzniku novej triedy inovatívnych bionických kompozitov."

výroba

Taliansky profesor sa snaží kombinovať nano a biotechnológiu už viac ako rok. Dokonca patentoval metódu výroby pórovitého kaučuku "zosilneného" nanotrubkami, v ktorých sú dutiny vytvorené fermentáciou kvasiniek. Teraz sa zdá, že Punio mení živé organizmy na ekologické továrne s modernými materiálmi. V skutočnosti sú biokompozity, ako sú chitinózne zuby alebo pavučiny z gulopodov mäkkýšov, nadradené mnohým umelým analógom a vedci neopustili svoje snahy o vytvorenie technológií na ich priemyselnú syntézu a modifikáciu. Z pavúkov sa podarilo extrahovať spidroin a používať ho na vytváranie vlákien pomocou elektrostatických a iných metód. Avšak všetky tieto prístupy sú zložité, laboratórne a ich zaradenie do ekonomicky životaschopnej výroby ešte nie je možné.

A sú potrebné, ak sa účinní prírodoví výrobcovia plazia, plávajú a práve rastú: gastropody chitínových tovární, spider-like donor spidroin, spevnené nanovláknami … Naša otázka bola, aké materiály by sa mohli takto zlepšiť, Nikola Puño odpovedal: "Áno, doslova všetko vrátane prirodzeného brnenia chrobákov, dreva atď.p. "Podľa vedca takéto riešenia nielenže dosiahnu najlepšie vlastnosti materiálov, ale aj ich budú bezpečne používať aj v medicíne. No, ako sa to týka zvyšovania sily našich kostí zavedením nanotrubiek do nich?" Zatiaľ to znie príliš fantasticky, hovorí profesor Punio, – ale nikdy nehovorte "nikdy". "

Aké neexistujúce materiály očakávate od blízkej budúcnosti?

Artem Oganov, chemik, špecialista na počítačový dizajn pre nové materiály:

1. Supravodiče. Existovala skutočná nádej na vytvorenie látok, ktoré si udržiavajú nulový odpor aj pri bežnej teplote a tlaku. Výpočty zohrávajú kľúčovú úlohu pri ich vyhľadávaní – napríklad rekordné vysokoteplotné supravodiče H3S (-70 ° C) najprv teoreticky predpovedali čínski vedci pomocou mojej metódy a až potom syntetizovali. S príchodom supravodičov miestnosti nastane revolúcia a následky akejkoľvek revolúcie sú nepredvídateľné.

2. Thermoelectrics – materiály, ktoré premenu tepla na elektrickú energiu. Existujú teraz, ale ich použitie je obmedzené kvôli nízkej účinnosti.Ak je možné zvýšiť účinnosť minimálne dvakrát, otvoria sa úplne nové výklenky: termoelektriká zhromažďujú parazitné teplo v autách a lietadlách, zabezpečia oblečenie systémom "klimatizácie". Výpočty ukazujú, že je to celkom možné.

Materiály na fotokatalýzu. Pod pôsobením svetla sa stávajú vzrušenými a môžu urýchliť také reakcie, ako napríklad rozdelenie vody na výrobu vodíka alebo syntézu umelého benzínu z vody a CO.2, Dôsledky sú jasné – revolúcia v energetickom sektore.

4. Nové magnety. Takmer všetky dobré magnety zahŕňajú drahé a ťažko zbaviteľné prvky vzácnych zemín. Naozaj sa mi to chce zbaviť a v blízkej budúcnosti sa táto úloha môže vyriešiť. Ak sa takisto podarí zlepšiť účinnosť (či je to možné, aj keď nie je jasné, že existujú pochybnosti), budú k dispozícii nové typy motorov. "


Like this post? Please share to your friends:
Pridaj komentár

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