Новият композитен материал издържа десетократно по-голям натиск

Изследователи от Еврейския университет в Йерусалим разработиха нов вид композитен лед, който е около 10 пъти по-здрав при натиск от обикновената замръзнала вода и достига здравината на конвенционалния бетон, съобщават от висшето учебно заведение. Новият материал, наречен BioPykrete, абсорбира близо 70 пъти повече енергия преди да се разруши и е създаден като екологична алтернатива за строителство в най-студените региони на Земята.

Всеки, който е стъпвал или падал върху дебел лед, знае колко твърд може да бъде той, но обикновената замръзнала вода има сериозен структурен недостатък. При натоварване по нея бързо се разпространяват пукнатини и тя се пръсва внезапно без никакво предупреждение. Разработката на израелските учени променя именно това поведение, като превръща крехкия лед в пластичен и изключително устойчив материал.

Молекулярно лепило от растителни кристали и протеин

В основата на BioPykrete стои прецизна комбинация от вода, микроскопични целулозни нанокристали с растителен произход и специално проектиран протеин, носещ името CBM3a-AFPIII. Целулозата е естественият градивен елемент, който осигурява здравината на растенията. Когато сместа започне да замръзва, тези изключително малки и твърди целулозни частици оформят триизмерна мрежа около микроскопични ледени джобчета.

Истинският пробив в проучването обаче се дължи на добавения протеин, който действа като своеобразно молекулярно лепило. Едната му част се прикрепва директно към ледените кристали, а другата се свързва здраво с растителната целулоза.

„Искахме да направим нещо повече от просто смесване на влакна с лед; целта ни беше да контролираме начина, по който различните материали се свързват на молекулярно ниво“, обяснява професор Идо Браславски от Факултета по земеделие, храни и околна среда „Робърт Х. Смит“ към Еврейския университет в Йерусалим, който е един от водещите изследователи в проекта.

Според лабораторните изпитания именно тези миниатюрни молекулярни връзки поемат основната част от механичното натоварване и не позволяват на пукнатините да се разпространяват свободно. Данните от проучването показват, че самото добавяне на протеина CBM3a-AFPIII удвоява както якостта на натиск, така и способността за поглъщане на енергия в сравнение с идентична смес, съставена само от лед и целулоза без свързващия елемент.

„Резултатът променя не само здравината на леда, но и начина, по който той се разрушава. Вместо да се пръсне внезапно, материалът може да абсорбира много повече енергия и да се деформира постепенно“, допълва професор Идо Браславски.

От военните експерименти до полярното строителство

Идеята за подсилване на замръзналата вода не е нова за науката. Още по време на Втората световна война изследователи експериментират с материал, известен като пайкрет (Pykrete) — смес от лед и дървесна маса, която се отличава с много по-голяма здравина и значително по-бавно топене от чистия лед. Екипът от Йерусалим на практика пренася тази историческа концепция на молекулярно ниво. Подходът им се вписва в по-широка научна тенденция за подобряване на естествени материали чрез промяна на вътрешната им структура, какъвто е и случаят с технологията за свръхздрава дървесина Superwood.

Основното предназначение на BioPykrete е насочено към инфраструктурни проекти в арктическите и антарктическите региони. Транспортирането на тонове конвенционален бетон, стомана и тежки строителни материали до полярните зони е изключително скъпо, логистично трудно и свързано с голям разход на гориво. Тъй като новият композит се състои предимно от местна вода и растителна целулоза, той може да предложи напълно биоразградима алтернатива със значително по-малък въглероден отпечатък за изграждане на съоръжения в условия на екстремен студ.

Предстоящи изпитания преди реалната употреба

Въпреки обещаващите лабораторни резултати, в близко бъдеще все още няма да се строят сгради или пътища от новия материал. Разработката на този подсилен лед се намира на етап доказателство за концепция и тепърва трябва да докаже своята надеждност извън лабораторията.

В своето проучване създателите на технологията посочват, че „установяването на пригодността за инфраструктурни цели ще изисква допълнителни изпитвания за трайност, замразяване-размразяване, пълзене и жизнен цикъл“. На практика учените трябва да проверят как се държи структурата в дългосрочен план, как реагира при многократни температурни амплитуди, дали бавно променя формата си под продължително механично натоварване и дали производството ѝ в големи мащаби ще донесе реални ползи за околната среда.