Учёные создали «суперлёд», который в 10 раз прочнее обычного и по своей прочности не уступает бетону
Новая разновидность армированного льда может стать необычным строительным материалом для экстремальных полярных условий, хотя вопросы о его долговечности пока остаются открытыми.
Ученые разработали новый тип льда, который по прочности на сжатие приближается к обычному бетону, но при этом устойчив к внезапным разрушениям, делающим обычный лед столь хрупким. Материал, получивший название «BioPykrete», примерно в 10 раз прочнее чистого льда при сжатии и способен поглощать примерно в 70 раз больше энергии до момента разрушения.
Вместо того чтобы разлетаться на куски при появлении трещин, такой армированный лед деформируется и разрушается более постепенно. Исследование, проведенное под руководством профессора Идо Браславского с факультета сельского хозяйства, пищевых продуктов и окружающей среды имени Роберта Х. Смита (Еврейский университет в Иерусалиме), было опубликовано в журнале «Colloids and Surfaces B: Biointerfaces».
Укрепление льда на молекулярном уровне
Своими необычными свойствами материал обязан нанокристаллам целлюлозы — крошечным жестким частицам, получаемым из природного вещества, которое обеспечивает структурную целостность растений. В процессе замерзания эти частицы образуют трехмерную сеть, окружающую микроскопические участки льда.
Чтобы усилить связь между двумя компонентами, исследователи создали белок, отдельные участки которого способны прикрепляться как ко льду, так и к целлюлозе. Этот «молекулярный мостик» фиксирует армирующую сеть внутри льда, создавая более прочную и целостную структуру. Добавление данного белка позволило удвоить показатели прочности и энергопоглощения по сравнению с аналогичной смесью, содержащей целлюлозу, но лишенной этого специально разработанного белка.
«Мы стремились выйти за рамки простого включения волокон в лед и вместо этого научиться управлять тем, как различные материалы взаимодействуют на молекулярном уровне, — говорит Браславский. — В результате меняется не только прочность льда, но и характер его разрушения: вместо того чтобы внезапно разлететься на куски, материал способен поглощать гораздо больше энергии и деформироваться постепенно».
Почему армированный лед устойчив к образованию трещин
Обычный лед может разрушиться внезапно, поскольку небольшие трещины стремительно распространяются по его кристаллической структуре. В материале BioPykrete целлюлозная сеть создает препятствия, которые могут остановить или изменить направление движения трещин. По мнению исследователей, белковые связи делают эту сеть более устойчивой к деформации и разрыву, что увеличивает количество энергии, необходимой для распространения трещин.
В основе этой концепции лежит необычный эксперимент времен Второй мировой войны. Тогда был создан «пайкрет» (Pykrete) — смесь льда и древесной массы, которая оказалась прочнее обычного льда и медленнее таяла. BioPykrete использует тот же принцип, но вместо обычных древесных волокон в нем применяется наноразмерное армирование и молекулярные связи, призванные улучшить механические характеристики материала.
Может ли армированный лед стать строительным материалом?
Исследователи видят потенциальные сферы применения этого материала в Арктике и Антарктике, где доставка традиционных строительных материалов — например, бетона или стали — сопряжена с высокими затратами и логистическими трудностями. Поскольку BioPykrete по большей части состоит из льда и растительной целлюлозы, в будущем он может стать биоразлагаемой альтернативой с меньшим углеродным следом, подходящей для возведения определенных конструкций в регионах с экстремально низкими температурами.
Тем не менее, пока этот материал существует лишь в качестве экспериментальной концепции. Впечатляющие лабораторные показатели еще не гарантируют, что он сможет выдержать многолетнюю эксплуатацию в составе конструкций. Ученым еще предстоит изучить, как материал ведет себя при многократном замораживании и оттаивании, длительных нагрузках и постепенной деформации под постоянным давлением.
В ходе будущих экспериментов планируется исследовать процесс развития трещин внутри армированной структуры, а также выяснить, можно ли еще больше улучшить свойства материала, используя другие белки или иные методы замораживания. Эти испытания помогут определить, сможет ли BioPykrete выйти за рамки лабораторных образцов и найти применение в реальном строительстве.
