科學(xué)家利用DNA和玻璃打造出新型輕質(zhì)材料，強(qiáng)度是鋼的四倍

科學(xué)家利用DNA和玻璃打造出新型輕質(zhì)材料，強(qiáng)度是鋼的四倍

IT之家 10 月 23 日消息，科學(xué)家成功地將 DNA 的復(fù)雜結(jié)構(gòu)與玻璃的純凈相結(jié)合，創(chuàng)造出一種既輕又堅(jiān)固的材料。這種超級(jí)材料的密度是鋼的五分之一，但強(qiáng)度是鋼的四倍。科學(xué)家們稱(chēng)，這使其成為“已知最強(qiáng)”的材料。這項(xiàng)研究由康涅狄格大學(xué)、哥倫比亞大學(xué)和布魯克海文國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家共同完成。

尋找既硬又輕的材料一直是一個(gè)挑戰(zhàn)，這兩個(gè)特性往往相互矛盾，但事實(shí)并非如此，這兩個(gè)特性有時(shí)可以并存。

大多數(shù)酷炫的科學(xué)項(xiàng)目都有一些同樣酷炫的靈感來(lái)源。這次的靈感來(lái)自于鋼鐵俠的標(biāo)志性戰(zhàn)甲。“我是鋼鐵俠電影的忠實(shí)粉絲，我一直想知道如何為鋼鐵俠創(chuàng)造更好的戰(zhàn)甲。它必須非常輕，這樣他才能飛得更快。它必須非常強(qiáng)，才能抵擋敵人的攻擊。我們的新材料比鋼輕五倍，但強(qiáng)四倍。所以，我們的玻璃納米格子會(huì)比任何其他結(jié)構(gòu)材料更適合用來(lái)制造一個(gè)改進(jìn)版的鋼鐵俠戰(zhàn)甲。”哥倫比亞大學(xué)的納米材料科學(xué)家 Oleg Gang 說(shuō)。

他們方法的關(guān)鍵在于利用玻璃本身固有的優(yōu)勢(shì)，是的，就是很容易碎裂的玻璃。玻璃之所以容易碎裂，在大多數(shù)情況下與其結(jié)構(gòu)中存在的缺陷有關(guān)，比如裂縫或缺失的原子。然而，在最純凈、最完美的形式下，一小塊玻璃可以承受足以壓碎一些最堅(jiān)固、最重的材料的壓力。

然而，制作大塊無(wú)瑕玻璃是極其困難的。這就是為什么當(dāng)使用玻璃作為結(jié)構(gòu)材料時(shí)，其厚度幾乎總是小于一個(gè)微米。由于它比許多金屬和陶瓷都輕，所以由這種純凈的納米級(jí)玻璃制成的結(jié)構(gòu)既堅(jiān)固又輕盈。

IT之家注意到，為了將純凈的玻璃粒子塑造成三維框架，研究人員使用了 DNA 作為支架。這種自組裝的 DNA 框架充當(dāng)了骨架，在其上科學(xué)家精心地涂上了一層玻璃。這種微妙的平衡產(chǎn)生了一種既堅(jiān)固又輕盈的材料，達(dá)到了以前認(rèn)為不可能的強(qiáng)度和密度。

“利用 DNA 和礦化物來(lái)創(chuàng)造設(shè)計(jì)好的三維框架納米材料，為工程機(jī)械性能提供了巨大的機(jī)會(huì)。但是，在我們能夠?qū)⑵渥鳛橐环N技術(shù)應(yīng)用之前，還需要做很多研究工作。”Gang 說(shuō)。

接下來(lái)，研究人員計(jì)劃使用 DNA 結(jié)構(gòu)制造更強(qiáng)的材料。例如，用碳化物陶瓷代替玻璃，可能會(huì)產(chǎn)生更好的強(qiáng)度重量比。改變 DNA 結(jié)構(gòu)也可能大大提高這個(gè)比值。

這項(xiàng)研究發(fā)表在《細(xì)胞報(bào)告物理科學(xué)》雜志上。