Учёные готовы превратить животных и растения в фабрики для производства материалов будущего
7 ноября 2021 года | Международная
Рубрика: Компании, производства
Эти свойства вырастают из сложной структуры паучьей нити. Паутинные белки, такие как спидроин, выделяются специальными железами и состоят в основном из аминокислот глицина и аланина. По мере того как на воздухе секрет твердеет, небольшой и подвижный глицин образует упругую и аморфную основу структуры, тогда как аланин организуется в прочные «кристаллические» домены, которые могут дополнительно скрепляться сульфидными мостиками аминокислотных остатков серина. Это настоящий биокомпозит, сложная структура которого позволяет добиться уникальных характеристик. В аморфную основу могут включаться и дополнительные молекулы, придающие паутине новые свойства: например, пирролидин отпугивает муравьёв, а заодно активно поглощает воду, поддерживая паутину в оптимально увлажнённом состоянии.
Наличие таких «легирующих» соединений не редкость для природных полимеров. Включения металлов укрепляют челюсти некоторых насекомых, а минеральные кристаллы делают зубы брюхоногих морских блюдечек самым прочным из всех природных материалов. Неудивительно, что и учёные пытаются улучшить свойства паутины внесением искусственных добавок — наночастиц, углеродных нанотрубок и даже полупроводниковых микрокристаллов теллурида кадмия, покрытие из которых заставило паутину флуоресцировать. Как правило, их просто напыляют на нить. Внедрить частицы в её структуру не удавалось, пока итальянско-британский физик Никола Пуньо не опрыскал животных водой с графеновыми хлопьями и нанотрубками.
В 2015 году его команде удалось показать, что такой простой метод работает: нужные добавки попадали в паутинную нить, в разы повысив её прочность и устойчивость на разрыв. Этим подходом сразу же воспользовались китайские учёные, применив тот же способ для получения шёлковых волокон вдвое большей прочности. Тем временем профессор Пуньо усовершенствовал свой метод и в сентябре 2017 года опубликовал результаты изучения нитей полутора десятков разных пауков, которых поили водой с разведёнными в ней одностенными нанотрубками или графеном. Максимальные показатели их паутины оказались намного лучше, чем у натуральной: благодаря нанотрубкам одна из нитей сумела выдержать нагрузку до 5 400 МПа и поглотить до 1 567 Дж/г энергии, прежде чем разрушиться. «Процедуру естественного армирования можно использовать и для других животных и растений, — утверждали Пуньо и соавторы его работы, — это приведёт к появлению нового класса инновационных бионикомпозитов».
Итальянский профессор пытается соединить нано- и биотехнологии уже не первый год. Он даже запатентовал метод получения «армированной» нанотрубками пористой резины, полости в которой создаёт ферментация дрожжей. Теперь Пуньо, похоже, собирается превратить живые организмы в экологически чистые фабрики перспективных материалов. В самом деле, такие биокомпозиты, как хитиновые зубы брюхоногих моллюсков или паутина, превосходят многие искусственные аналоги, и учёные не оставляют попыток создать технологии их промышленного синтеза и модификации. Из паутинных желез им удаётся извлекать спидроин и использовать его для формования волоконных нитей электростатическим и другими методами. Однако все это подходы сложные, лабораторные, и масштабировать их в экономически оправданное производство пока не получается.
Да и нужны ли они, если у нас под рукой ползают, плавают и просто растут эффективные естественные производители: брюхоногие фабрики хитина, паукообразные доноры спидроина, усиленного нановолокном... На наш вопрос, какие именно материалы можно было бы «улучшить» таким образом, Никола Пуньо ответил: «Да буквально все, включая естественную броню жуков, древесину и т. п.» По словам учёного, такие решения не только позволят добиться лучших свойств материалов, но и сделают их безопасными для применения даже в медицине. Ну а как насчёт повышения крепости наших костей внедрением в них нанотрубок? «Пока что это звучит слишком фантастически, — говорит профессор Пуньо, — но, впрочем, никогда не говори „никогда“».
Компании, производства — последние новости
17 апреля | Россия, Томская область
13 апреля | Китай
10 апреля | Россия
7 апреля | Россия
29 марта | Международная
Последние международные эко-новости
23 апреля | Международная
22 апреля | Международная
20 апреля | Международная
20 апреля | Международная
19 апреля | Международная