Учені створили "армований" лід з міцністю бетону

Як молекулярні мости зміцнюють кригу

Як повідомляє дослідження в науковому журналі Colloids and Surfaces B: Biointerfaces, над створенням композиту працювала наукова група під керівництвом професора Роберта Х. Сміта з факультету сільського господарства, продовольства та довкілля Єврейського університету в Єрусалимі Ідо Браславського.

Новий матеріал здатен поглинати орієнтовно у 70 разів більше енергії до моменту руйнування, ніж звичайний лід. Замість раптового розтріскування він демонструє здатність поступово деформуватися під критичним навантаженням.

Унікальні властивості матеріалу забезпечують нанокристали целюлози – мікроскопічні жорсткі часточки, отримані з рослинної сировини. Під час кристалізації вони формують просторову тривимірну сітку навколо мікроскопічних ділянок льоду. Щоб зв'язати компоненти між собою, науковці спроєктували спеціальний білок з окремими ділянками, що кріпляться до льоду та целюлози. Цей молекулярний міст зафіксував армувальну сітку, що подвоїло показники міцності та поглинання енергії порівняно зі звичайною сумішшю целюлози та води.

Ми хотіли вийти за межі простого змішування волокон із льодом і натомість контролювати зв'язок між різними матеріалами на молекулярному рівні. Отриманий результат змінює не лише міцність льоду, а й характер його руйнування: замість миттєвого розколу він поглинає значно більше енергії та деформується поступово,
– прокоментував керівник дослідження Ідо Браславський.

Від військових проєктів до екологічного будівництва

Звичайна крига ламається раптово через стрімке поширення тріщин уздовж кристалічної ґратки. У матеріалі BioPykrete целюлозна сітка створює фізичні перешкоди, які зупиняють або перенаправляють лінії розломів, а штучні білкові зв'язки суттєво підвищують енергію, необхідну для подальшого розриву структури.

Ця концепція бере свій початок з експериментів часів Другої світової війни. Тоді розробники створили пайкрит – суміш льоду та деревної пульпи, яка танула повільніше й витримувала більші навантаження, ніж чистий лід. Новий BioPykrete використовує той самий фундаментальний підхід, але замінює грубі деревні волокна нанорозмірним армуванням і керованими молекулярними зв'язками для досягнення принципово іншого рівня механічних характеристик.

Автори проєкту вбачають значний потенціал для практичного використання матеріалу в екстремальних умовах Арктики та Антарктики. Доставка традиційних будматеріалів, таких як бетон і сталь, у полярні регіони вимагає колосальних логістичних і фінансових витрат. Оскільки розробка майже повністю складається з води та рослинної біомаси, вона пропонує біорозкладну альтернативу з мінімальним вуглецевим слідом для зведення полярних конструкцій.

Які випробування очікують на новий матеріал

Попри високі лабораторні показники, BioPykrete наразі залишається експериментальним підтвердженням концепції. Успішні тести не дають відповіді на питання, як матеріал поводитиметься протягом тривалого часу експлуатації в реальних будівлях. Ученим ще належить дослідити стійкість композиту до багаторазових циклів замерзання й відтавання, довготривалого статичного навантаження та поступової деформації під постійним тиском.

Подальші серії випробувань покажуть, як саме зароджуються тріщини всередині армованої матриці. Інженери планують протестувати інші комбінації білків і різні режими заморожування, щоб наблизити матеріал від лабораторних зразків до повноцінного практичного застосування на будівельних майданчиках.