Levende fabrikker

Levende fabrikker

Romerske fiskemand
"Popular Mechanics" №11, 2017

Glødende spindelvæv og silke med nanorør: Forskere er klar til at vende dyr og planter til fabrikker til fremstilling af fremtidens materialer.

Insekter og edderkopper har perfektioneret evnen til at væve fibre i hundredvis af millioner af år, lære at skabe materialer, der er utroligt holdbare og lette, biokompatible og kemisk inerte. Det er en skam, at deres brug af mennesket i årtusinder kommer ned til banalproduktionen af ​​silke stoffer – selv om jo bedre vi kender egenskaberne hos disse biobrændstoffer, jo mere ser det ud til at spikere et mikroskop. Tage mindst nettet – materialet er mere pålideligt end stål (trækstyrke på 1,0-2,7 GPa) og lettere end kulfiber (tæthed 1,3-1,4 g / cm3). Dens egenskaber er sammenlignelige med de bedste versioner af Kevlar og endda nyfangede fibre, derudover forstærket med molekylære "knuder" på polymerkæderne. Store tøj og kabler, holdbare bionedbrydelige poser, kirurgiske strenge og lige kropsarme ville komme ud af nettet.

Disse egenskaber vokser fra den komplekse struktur af edderkoppetråden. Spiderproteiner, såsom spidroin, udskilles af særlige kirtler og består hovedsageligt af aminosyrerne glycin og alanin.Da sekretionen hærder i luften, danner den lille og mobile glycin en elastisk og amorf basestruktur, medens alanin er organiseret i stærke "krystallinske" domæner, som yderligere kan være bundet med sulfidbroer af serinaminosyrerester. Dette er en reel biokomposit, hvis komplekse struktur tillader at opnå unikke egenskaber. Yderligere molekyler kan inkluderes i den amorfe base, hvilket giver weben nye egenskaber: pyrrolidin skrækker for eksempel myrer og absorberer samtidig aktivt vand og holder nettet i en optimal hydratiseret tilstand.

forstærkning

Tilstedeværelsen af ​​sådanne "legerings" -forbindelser er ikke ualmindeligt for naturlige polymerer. Indeslutninger af metaller styrker nogle insekters kæber, og mineralskrystaller gør tænderne på svampedyr havskål den mest holdbare af alle naturlige materialer. Det er ikke overraskende, at forskere også forsøger at forbedre webens egenskaber ved at indføre kunstige tilsætningsstoffer – nanopartikler, carbon nanorør og endda halvledermikrokrystaller af cadmium, hvis belægning gjorde fluoresceringen af ​​nettet. Som regel sprøjtes de simpelthen på tråden.Det var ikke muligt at injicere partikler i sin struktur, indtil den italiensk-britiske fysiker Nicola Puño sprøjtede dyr med vand med grafenflager og nanorør.

I 2015 var hans team i stand til at vise, at en sådan simpel metode virker: de nødvendige tilsætningsstoffer faldt i arachnoidet og øgede dets holdbarhed og trækstyrke til tider. Denne fremgangsmåde blev straks brugt af kinesiske forskere ved at anvende den samme metode til at opnå silkefibre dobbelt så stærk. I mellemtiden forbedrede professor Punio sin metode og offentliggjorde i september 2017 resultaterne af at studere tråde af et dusin forskellige edderkopper, der blev vandet med enkeltvæggede nanorør eller grafen fortyndet i den. De maksimale indikatorer på deres web viste sig at være meget bedre end den naturlige. Takket være nanorørerne klarte en af ​​strengene at klare en belastning på op til 5400 MPa og absorbere op til 1567 J / g energi før sammenbrud. "Den naturlige forstærkningsprocedure kan også bruges til andre dyr og planter," Puño og medforfattere af hans arbejde er sikre, "dette vil føre til fremkomsten af ​​en ny klasse af innovative bioniske kompositter."

produktion

En italiensk professor har forsøgt at kombinere nano og bioteknologi i mere end et år. Han patenterede endda en metode til fremstilling af porøst gummi "forstærket" med nanorør, hvori hulrum er skabt ved gæring af gær. Nu synes Punio at omdanne levende organismer til miljøvenlige fabrikker med avancerede materialer. Faktisk er biokompositter som snegleblødkirtlen eller spiderwebs bedre end mange kunstige analoger, og forskere har ikke forladt deres forsøg på at skabe teknologier til deres industrielle syntese og modifikation. Fra edderkopper klare de at udvinde spidroin og bruge det til at danne fiberstrenge ved hjælp af elektrostatiske og andre metoder. Imidlertid er alle disse fremgangsmåder komplekse, laboratorier og skaleres til en økonomisk levedygtig produktion endnu ikke mulig.

Og er de nødvendige, hvis effektive naturlige producenter kryber rundt, svømmer og bare vokser: svinekød af chitinfabrikker, spiderlignende donorer af spidroin, forstærket med nanofibre … Vores spørgsmål var, hvilke materialer der kunne forbedres på denne måde, Nikola Puño svarede: "Ja, bogstaveligt talt alt, herunder den naturlige rustning af biller, træ osv.p. "Ifølge forskeren vil sådanne løsninger ikke blot opnå de bedste egenskaber ved materialer, men også gøre dem sikre til brug selv i medicin. Nå, hvad med at øge styrken af ​​vores knogler ved at indføre nanorør i dem?" Hidtil lyder det for fantastisk – siger professor Punio, – men dog aldrig "aldrig". "

Hvilke ikke-eksisterende materialer forventer du fra den nærmeste fremtid?

Artem Oganov, kemiker, computerdesign specialist for nye materialer:

Nr. 1. Superledere. Der var et ægte håb om dannelsen af ​​stoffer, der bevarer nul modstand, selv ved almindelig temperatur og tryk. Beregninger vil spille en nøglerolle i deres søgning – for eksempel optagelsen høj temperatur superlederen H3S (-70 ° C) blev først teoretisk forudsagt af kinesiske forskere ved hjælp af min metode og kun derefter syntetiseret. Med fremkomsten af ​​rums superledere vil der opstå en revolution, og konsekvenserne af enhver revolution er uforudsigelige.

№ 2. Termoelektrics – materialer, der omdanner varme til elektricitet Eksisterer nu, men deres anvendelse er begrænset på grund af den lave effektivitet.Hvis det er muligt at øge effektiviteten mindst to gange, åbnes helt nye nicher: termoelektrics vil samle parasitær varme i biler og fly, vil give tøj et klimakontrolsystem. Beregninger viser, at det er helt muligt.

№ 3. Materialer til fotokatalyse. Under lysets virkning bliver de spændte og kan accelerere sådanne reaktioner som for eksempel at opdele vand for at producere hydrogen eller syntetisere kunstig benzin fra vand og CO.2. Konsekvenserne er klare – en revolution i energisektoren.

№ 4. Nye magneter. Næsten alle gode magneter omfatter dyre og vanskelige at minde sjældne jordarters elementer. Jeg vil virkelig slippe af med dette, og i nær fremtid kan denne opgave løses. Hvis dette også lykkes med at forbedre effektiviteten (om det er muligt, mens det ikke er klart, at der er tvivl), vil fundamentalt nye typer af motorer være tilgængelige. "


Like this post? Please share to your friends:
Skriv et svar

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