Лед вряд ли назовешь очевидным строительным материалом. Он доступен в холодных регионах и способен выдерживать значительные нагрузки при сжатии. Но есть проблема: трещины в обычном льду могут быстро распространяться по всей структуре, приводя к внезапному разрушению.
Ученые разработали композитный материал, который должен справиться с этой слабостью. Новый материал получил название BioPykrete. По результатам лабораторных испытаний, он примерно в десять раз прочнее обычного льда и способен поглощать примерно в 70 раз больше энергии до разрушения.
Вместо резкого раскалывания материал деформируется и разрушается более постепенно. Исследователи считают, что такая особенность в перспективе может сделать его пригодным для отдельных строительных задач в самых холодных регионах Земли.
Идея укреплять лед не нова. Еще во время Второй мировой войны исследователи экспериментировали с материалом под названием Pykrete — смесью льда и древесной целлюлозы. Добавление волокон делало такой материал прочнее и замедляло его таяние. Команда ученых пошла дальше и использовала целлюлозу на гораздо более мелком уровне. В состав материала вошли нанокристаллы целлюлозы — очень маленькие и жесткие частицы природного материала, который придает растениям прочность.
Во время замерзания частицы образуют трехмерную сеть внутри льда. Но одной целлюлозы оказалось недостаточно. Для усиления соединения между двумя материалами исследователи разработали специальный белок. Он работает как своеобразный молекулярный клей: одна его часть связывается со льдом, другая — с целлюлозой. Благодаря этому сеть из нанокристаллов удерживается внутри ледяной структуры. Такой подход меняет не только прочность льда, но и характер его разрушения. Материал может поглощать значительно больше энергии и деформироваться постепенно, а не раскалываться внезапно.
В BioPykrete целлюлозная сеть и белковые соединения замедляют распространение трещин. Когда повреждение встречает целлюлозную структуру, она становится препятствием для его дальнейшего движения. Белок, связывающий лёд и целлюлозу, удерживает сеть на месте. В результате трещина может остановиться или изменить направление, а для разрушения материала требуется больше энергии.
Лабораторные испытания показали, что BioPykrete примерно в десять раз прочнее чистого льда при сжатии. Исследователи сообщают, что его прочность достигала уровня, сопоставимого с обычным бетоном. Еще один показатель — способность поглощать энергию до разрушения. Здесь разница оказалась особенно заметной: новый композит выдерживал примерно в 70 раз больше энергии, чем обычный лед. Белок сыграл важную роль и в сравнении с другим составом. Его добавление удвоило прочность и способность поглощать энергию по сравнению с похожей смесью льда и целлюлозы, в которой молекулярного соединения не было.
Среди возможных направлений применения материала исследователи рассматривают строительство в Арктике и Антарктике. В этих регионах доставка бетона, стали и других строительных материалов может быть сложной и дорогой. BioPykrete состоит преимущественно из льда и растительной целлюлозы. Поэтому в определенных условиях материал может стать биоразлагаемой альтернативой некоторым традиционным строительным материалам.
Но до строительства домов из нового композита еще далеко. Пока это доказательство работоспособности концепции, а не готовый строительный материал. Ученым предстоит выяснить, как BioPykrete ведет себя в течение длительного времени, что происходит с ним при повторных циклах замерзания и оттаивания и насколько быстро он меняет форму под постоянной нагрузкой.
В будущих исследованиях команда также планирует изучать распространение трещин, проверять другие белки и методы замораживания. Это может помочь сделать материал еще прочнее. Пока «суперлед» остается лабораторной разработкой. Однако эксперимент показывает, что сочетание льда с растительными наноматериалами и белками способно заметно изменить его механические свойства.
Читайте также:
Эксперт МИФИ объяснил, почему три закона робототехники Азимова не работают в реальности
3D-принтер сможет печатать предметы, распознающие прикосновения и движения