Fabrici de viață

Fabrici de viață

Roman Fishman
"Mecanica populară" №11, 2017

Lăcrămi pătrunjite și mătase cu nanotuburi: oamenii de știință sunt gata să transforme animalele și plantele în fabrici pentru producerea de materiale de viitor.

Insectele și păianjenii au perfecționat abilitatea de a țese fibre de sute de milioane de ani, învățând cum să creeze materiale care sunt incredibil de durabile și ușoare, biocompatibile și inerte chimic. Este păcat că folosirea lor de către om timp de milenii se reduce la producția banală de țesături de mătase – cu toate că, cu cât cunoaștem mai bine proprietățile acestor biofibre, cu atât arată mai mult ca un microscop. Luați cel puțin pânza – materialul este mai sigur decât oțelul (rezistența la tracțiune de 1,0-2,7 GPa) și mai ușor decât fibra de carbon (densitate 1,3-1,4 g / cm3). Proprietățile sale sunt comparabile cu cele mai bune versiuni de Kevlar și chiar fibre noi, adiționale armate cu "noduri" moleculare pe lanțurile de polimeri. Haine și cabluri mari, pungi durabile biodegradabile, șiruri chirurgicale și chiar arme de corp ar ieși din rețea.

Aceste proprietăți cresc din structura complexă a firului de păianjen. Spiderul proteic, cum ar fi spidroina, este secretat de glande speciale și constă în principal din aminoacizii glicina și alanina.Deoarece secreția se întărește în aer, glicina mică și mobilă formează o structură de bază elastică și amorfă, în timp ce alanina este organizată în domenii puternice "cristaline", care pot fi în plus legate de punțile sulfidice ale reziduurilor de aminoacizi serice. Acesta este un biocompozit real, a cărui structură complexă permite obținerea unor caracteristici unice. Molecule suplimentare pot fi incluse în baza amorfă, oferindu-i proprietăți noi pentru pânză: de exemplu, pirolidina sperie furnicile și, în același timp, absoarbe în mod activ apa, menținând țesătura într-o stare optimă hidratată.

armare

Prezența unor astfel de compuși de "aliere" nu este neobișnuită pentru polimerii naturali. Includerea metalelor întărește fălcile unor insecte, iar cristalele minerale fac dinții gastropodelor farfurie marine cele mai durabile din toate materialele naturale. Nu este surprinzător faptul că oamenii de știință încearcă, de asemenea, să îmbunătățească proprietățile web prin introducerea aditivilor artificiali – nanoparticule, nanotuburi de carbon și chiar microcristale semiconductoare de cadmiu, a căror acoperire a făcut ca fluorescența webului. De regulă, ele sunt pur și simplu pulverizate pe fir.Nu a fost posibilă injectarea de particule în structura sa până când fizicianul italian-britanic Nicola Puño a stropit animalele cu apă cu fulgi de grafen și nanotuburi.

În 2015, echipa sa a reușit să demonstreze că funcționează o metodă simplă: aditivii necesari au căzut în arahnoid, sporind durabilitatea și rezistența la întindere. Această abordare a fost utilizată imediat de oamenii de știință chinezi, folosind aceeași metodă pentru a obține fibrele de mătase de două ori mai puternice. Între timp, profesorul Punio și-a îmbunătățit metoda și, în septembrie 2017, a publicat rezultatele studierii firelor de duzină de paianjeni diferiți, care au fost udate cu nanotuburi cu un singur perete sau grafenă diluată în ea. Indicatorii maximi ai rețelei lor s-au dovedit a fi mult mai buni decât cei naturali: datorită nanotuburilor, una dintre fire a reușit să reziste unei sarcini de până la 5400 MPa și să absoarbă până la 1567 J / g de energie înainte de a se prăbuși. "Procedura de armare naturală poate fi folosită și pentru alte animale și plante", a spus Puño și co-autorii lucrării sale, "aceasta va conduce la apariția unei noi clase de compozite bionice inovatoare".

producere

Un profesor italian încearcă să combine nano și biotehnologia pentru mai mult de un an. El a brevetat chiar și o metodă de producere a cauciucului poros "întărit" cu nanotuburi, în care cavitățile sunt create prin fermentarea drojdiei. Acum Puño pare să transforme organismele vii în fabrici ecologice cu materiale avansate. De fapt, biocompozitele, cum ar fi dinți chitinosi din gogoși de molii de gastropod sau păianjeni, sunt superioare multor analogi artificiali, iar oamenii de știință nu și-au abandonat încercările de a crea tehnologii pentru sinteza și modificarea lor industrială. Ei reușesc să extragă spidroina din glandele păianjenului și să o folosească pentru a forma fire de fibră folosind metode electrostatice și alte metode. Cu toate acestea, toate aceste abordări sunt complexe, de laborator, și scalarea lor într-o producție viabilă din punct de vedere economic nu este încă posibilă.

Și sunt necesare dacă producătorii de produse naturale se aruncă în jurul lor, înot și doar cresc: gastropoduri de fabrici de chitină, donatori de păianjen de spidroin, întăriți cu nanofibre … Întrebarea noastră a fost ce fel de materiale ar putea fi "îmbunătățite" în acest fel, Nicola a răspuns: "Da, literalmente totul, inclusiv armura naturală de gândaci, lemn, etc.p. "Potrivit omului de știință, astfel de soluții nu numai că vor obține cele mai bune proprietăți ale materialelor, ci și le vor face în siguranță pentru utilizare chiar și în medicină. spune profesorul Punio, – dar, totuși, nu spune niciodată "niciodată". "

Ce materiale inexistente vă așteptați din viitorul apropiat?

Artem Oganov, chimist, specialist în proiectarea calculatoarelor pentru materiale noi:

1. Superconductoare. A existat o adevărată speranță pentru crearea de substanțe care păstrează rezistența zero chiar și la temperaturi și presiuni obișnuite. Calculele vor juca un rol esențial în căutarea lor – de exemplu, superconductorul record de temperatură înaltă H3S (-70 ° C) a fost inițial teoretic prezis de oamenii de știință chinezi folosind metoda mea și abia apoi sintetizat. Odată cu apariția supraconductorilor de cameră, se va produce o revoluție, iar consecințele oricărei revoluții sunt imprevizibile.

№ 2. Termoelectrice – materiale care convertesc căldura în energie electrică. Există acum, dar utilizarea lor este limitată datorită eficienței reduse.Dacă este posibilă creșterea eficienței de cel puțin două ori, vor fi deschise nișe complet noi: termoelectrice va colecta căldură parazitară în mașini și avioane, va oferi haine cu un sistem de "control climatic". Calculele arată că este foarte posibil.

№ 3. Materiale pentru fotocataliză. Sub acțiunea luminii, ele devin excitate și pot accelera astfel de reacții, cum ar fi, de exemplu, împărțirea apei pentru producerea de hidrogen sau sintetizarea benzinei artificiale din apă și CO.2. Consecințele sunt clare – o revoluție în sectorul energetic.

№ 4. Noi magneți. Aproape toți magneții buni includ elemente de pământuri rare și dificil de minat. Chiar vreau să scap de acest lucru și în viitorul apropiat această sarcină poate fi rezolvată. Dacă acest lucru reușește, de asemenea, să îmbunătățească eficiența (dacă este posibil, în timp ce nu este clar că există îndoieli), vor fi disponibile în mod fundamental noi tipuri de motoare ".


Like this post? Please share to your friends:
Lasă un răspuns

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