ترکیب شیشه و DNA از فولاد هم محکم‌تر است!

موادی که هم قوی و هم سبک باشند می‌توانند در همه چیز از خودرو گرفته تا زره‌پوش استفاده شوند. اما معمولاً این دو شاخص در مقابل هم هستند.

کد خبر: ۱۰۸۹۲۹۱

يکشنبه - ۰۸ مرداد ۱۴۰۲ / July 30, 2023

به گزارش گروه دانشگاه خبرگزاری دانشجو، موادی که هم قوی و هم سبک باشند می‌توانند در همه چیز از خودرو گرفته تا زره‌پوش استفاده شوند. اما معمولاً این دو شاخص در مقابل هم هستند. به تازگی محققان دانشگاه کانکتیکات با استفاده از دو بلوک ساختمانی یعنی DNA و شیشه، ماده فوق‌العاده قوی و سبکی تولید کرده‌اند.

سئوک وو لی در دانشگاه کانکتیکات می‌گوید: «از یک جنبه می‌توان گفت که ماده ما قوی‌ترین ماده شناخته شده است.»

استحکام نسبی است. برای مثال آهن می‌تواند ۷ تن فشار در هر سانتی متر مربع را تحمل کند. اما بسیار متراکم و سنگین است و وزن آن ۷٫۸ گرم در سانتی متر مکعب است. سایر فلزات، مانند تیتانیوم، قوی‌تر و سبک‌تر از آهن هستند. آلیاژ‌های خاصی که چندین عنصر را ترکیب می‌کنند حتی قوی‌تر هستند. مواد قوی و سبک وزن در محصولاتی نظیر زره‌های بدن، تجهیزات پزشکی و اتومبیل‌ها و هواپیما‌های ایمن‌تر و سریع‌تر قابل استفاده هستند. برای مثال، ساده‌ترین راه برای افزایش برد یک وسیله نقلیه الکتریکی، بزرگ‌کردن باتری نیست، بلکه سبک‌تر کردن خودرو بدون کاهش ایمنی و طول عمر است. اما روش‌های متالورژی سنتی در سال‌های اخیر به حدی رسیده‌اند و دانشمندان مواد مجبور شده‌اند برای توسعه مواد سبک وزن جدید با استحکام بالا خلاقیت بیشتری به خرج دهند.

اکنون لی و همکارانش گزارش می‌دهند که با ساختن ساختاری از DNA و سپس پوشاندن آن با شیشه، ماده‌ای بسیار قوی با چگالی بسیار کم ایجاد کرده‌اند. شیشه ممکن است انتخاب شگفت‌انگیزی به نظر برسد، زیرا به راحتی خرد می‌شود. با این حال، شیشه معمولاً به دلیل نقص ساختاری مانند ترک، خراش، یا اتم‌های از دست رفته خود، خرد می‌شود. یک سانتی‌متر مکعب شیشه بی‌عیب و نقص می‌تواند ۱۰ تن فشار را تحمل کند، بیش از سه برابر فشاری که زیردریایی Oceangate Titan را در نزدیکی تایتانیک منفجر کرد.

ایجاد یک تکه شیشه بزرگ بدون نقص بسیار دشوار است. اما محققان می‌دانستند که چگونه قطعات بسیار کوچک بی‌عیب و نقص بسازند. تا زمانی که شیشه کمتر از یک میکرومتر ضخامت داشته باشد، تقریبا همیشه بی عیب و نقص است؛ و از آنجایی که چگالی شیشه بسیار کمتر از فلزات و سرامیک‌ها است، هر ساختاری که از شیشه بی‌عیب و نقص در اندازه نانو ساخته شده است باید محکم و سبک باشد.

این تیم ساختاری از DNA خودآرا ایجاد کرد. تکه‌هایی از DNA با طول‌ها و مواد شیمیایی خاص، خود را در یک اسکلت از مواد به هم می‌چسبانند. خانه یا ساختمانی را تصور کنید، اما از DNA ساخته شده است.

اولگ گنگ و آرون میکلسون، دانشمندان نانومواد در دانشگاه کلمبیا و مرکز بروکهاون برای نانومواد کاربردی، DNA را با یک لایه بسیار نازک از مواد شیشه‌مانند به ضخامت چند صد اتم پوشاندند. شیشه فقط رشته‌های DNA را پوشانده و بخش بزرگی از حجم مواد را به عنوان فضای خالی باقی می‌گذارد. اسکلت DNA پوشش نازک و بی عیب و نقص شیشه را تقویت کرده و مواد نهایی را بسیار قوی کرده است و حفره‌هایی که بیشتر حجم مواد را تشکیل می‌دهند آن را سبک وزن کرده‌اند. در نتیجه، این ساختار نانوشبکه شیشه‌ای چهار برابر استحکام بالاتر، اما پنج برابر چگالی کمتر از فولاد دارند. این ترکیب غیرمعمول از وزن کم و استحکام بالا قبلا هرگز به دست نیامده بود.

این تیم در حال حاضر با همان ساختار DNA کار می‌کنند، اما سرامیک‌های کاربید قوی‌تر را جایگزین شیشه می‌کنند. آن‌ها برنامه‌هایی برای آزمایش ساختار‌های مختلف DNA دارند تا ببینند کدام ماده قوی‌تر است. لی معتقد است که نانومعماری اوریگامی DNA مسیر جدیدی را برای ایجاد مواد سبک‌تر و قوی‌تر باز می‌کند که قبلاً هرگز تصور نمی‌کردیم.