Учёные из Еврейского университета в Иерусалиме разработали необычный материал на основе замёрзшей воды, который оказался в 10 раз прочнее обычного льда и способен поглощать в 70 раз больше энергии перед разрушением. По своим прочностным характеристикам новый «суперлёд» приблизился к бетону, а в будущем может стать экологичной альтернативой традиционным строительным материалам в самых холодных регионах планеты.
Идея укреплять лёд другими веществами появилась далеко не сегодня. Ещё во время Второй мировой войны британский Королевский военно-морской флот экспериментировал с материалом под названием пайкрит — смесью льда и древесной массы.
Военные рассчитывали построить из него авианосец, который фактически представлял бы собой огромный плавучий айсберг с укреплённой структурой. На его поверхности самолёты могли бы взлетать и приземляться, а сам материал при условии сохранения отрицательной температуры обладал прочностью, сопоставимой с бетоном.
Однако проект так и не был реализован. Расходы на разработку росли, а появление более подходящих альтернатив сделало строительство ледяного авианосца нецелесообразным.
Спустя более 80 лет исследователи решили вернуться к этой идее, но использовали совершенно другой подход. Вместо простого смешивания льда с древесными волокнами они попытались управлять взаимодействием компонентов на молекулярном уровне.
Новый материал получил название «Биопайкрит». В его состав входят лёд, нанокристаллы растительной целлюлозы и специально разработанный белок, который помогает двум основным компонентам прочно соединяться друг с другом.
«Мы хотели выйти за рамки простого добавления волокон в лёд и научиться управлять тем, как различные материалы связываются на молекулярном уровне», — объясняет биохимик Идо Браславский из Еврейского университета в Иерусалиме.
По его словам, такой подход изменил не только прочность материала, но и сам характер его разрушения. Если обычный лёд под нагрузкой может внезапно расколоться, то новая структура позволяет постепенно деформироваться и поглощать значительно больше энергии перед разрушением.
Ключевую роль в этом процессе играют нанокристаллы целлюлозы. Целлюлоза представляет собой основной структурный материал растений, обеспечивающий прочность их тканей. Однако исследователи использовали не обычные растительные волокна, а их кристаллические структуры нанометрового размера.
Такие частицы способны работать как микроскопические армирующие элементы. Распределяясь внутри льда, они затрудняют распространение трещин и помогают материалу выдерживать более высокие нагрузки.
В традиционном пайкрите использовались сравнительно крупные и беспорядочно расположенные древесные волокна. В новой разработке их заменили гораздо более мелкими и структурированными частицами, что позволило изменить взаимодействие компонентов.
Но одних нанокристаллов оказалось недостаточно. Чтобы они эффективно укрепляли лёд, необходимо было обеспечить прочную связь между растительными частицами и замёрзшей водой.
Для этого учёные создали специальный белок, объединив два функциональных компонента. Первый представляет собой белок-антифриз, способный взаимодействовать со льдом. Второй — модуль, связывающийся с углеводами, в данном случае с целлюлозой.
Полученная молекула действует как своеобразный клей, соединяющий нанокристаллы целлюлозы с ледяной структурой.
Благодаря такому сочетанию удалось получить материал, который не просто выдерживает значительно большую нагрузку, но и гораздо лучше сопротивляется разрушению.
В ходе испытаний прочность нового композита оказалась в 10 раз выше, чем у обычного льда. При этом количество энергии, которое материал способен поглотить до разрушения, увеличилось в 70 раз.
Последнее свойство особенно важно, поскольку высокая прочность и устойчивость к разрушению — не одно и то же. Материал может выдерживать большую нагрузку, но при достижении определённого предела внезапно раскалываться. В случае биопайкрита исследователям удалось добиться более постепенного разрушения, при котором структура продолжает поглощать энергию.
Учёные рассчитывают, что подобные свойства однажды позволят использовать усиленный лёд для строительства в Арктике, Антарктике и других удалённых холодных регионах.
В таких местах применение обычных строительных технологий бывает затруднено. Использование материала, основными компонентами которого служат лёд и растительная целлюлоза, потенциально позволит обходиться без бетона и стали.
Кроме того, исследователи рассматривают биопайкрит как более экологичную альтернативу традиционным материалам. Он может обладать низким углеродным следом и способностью к биологическому разложению.
Авторы работы отмечают, что строительная отрасль остаётся одним из крупнейших источников загрязнения окружающей среды. Её деятельность связана со значительными выбросами углерода и масштабным потреблением природных ресурсов.
По мнению исследователей, биотехнологии способны предложить новые способы уменьшения этого воздействия благодаря созданию устойчивых материалов с необычными свойствами.
Однако до практического применения биопайкрита ещё далеко. Пока учёные провели лишь небольшое исследование, подтвердившее принципиальную работоспособность технологии.
Следующим этапом станут испытания долговечности материала. Необходимо выяснить, как он ведёт себя в течение продолжительного времени и насколько сохраняет свои свойства при изменении окружающих условий.
Исследователи также намерены подробнее изучить распространение трещин внутри усиленного льда. Это поможет проверить, действительно ли механизмы укрепления работают именно так, как предполагается на основании первых экспериментов.
Ещё одно направление дальнейшей работы связано с совершенствованием состава материала и процесса его изготовления.
Учёные считают, что изменение скорости затвердевания, условий замораживания и структуры соединительных белков позволит получить ещё более прочные разновидности биопайкрита.
«Оптимизация процесса затвердевания и режимов замораживания наряду с разработкой новых вариантов соединительных белков может привести к созданию композитов с ещё более высокой прочностью», — говорится в исследовании.
При этом потенциальное значение открытия не ограничивается строительством в холодном климате.
Сам подход, при котором специально созданный белок связывает два разных материала на молекулярном уровне, может найти применение в других областях. Исследователи рассматривают возможности использования подобных технологий при разработке упаковочных и строительных материалов.
Таким образом, главным достижением может оказаться не только создание необычайно прочного льда, но и новый способ конструирования материалов с заранее заданными свойствами.
«Объединив разработку рекомбинантных белков с инженерией конструкционных материалов, мы создали высокоэффективный материал, специально предназначенный для суровых условий самых экстремальных регионов мира», — заключают авторы работы.
Результаты исследования опубликованы в научном журнале Colloids and Surfaces B: Biointerfaces.
