ガラスのように強い

2023 年 7 月 25 日 | キム・クリーガー - UConn Communications

研究者らは、DNA から構造を構築し、それをガラスでコーティングすることにより、非常に低密度で非常に強力な材料を作成しました。

（ゲッティイメージズ）

強度と軽量性を兼ね備えた素材があれば、自動車から防弾チョッキに至るまであらゆるものを改善できる可能性があります。 しかし通常、この 2 つの性質は相互に排他的です。 今回、コネチカット大学の研究者らは、DNAとガラスという2つのありそうもない構成要素を使用して、非常に強力で軽量な材料を開発した。

「所定の密度では、当社の材料は既知の中で最も強力です」と UConn の材料科学者 Seok-Woo Lee 氏は言います。 UConn、コロンビア大学、ブルックヘブン国立研究所の Lee 氏らは、7 月 19 日に Cell Reports Physical Science に詳細を報告しています。

強さは相対的なものです。 たとえば、鉄は1平方センチメートルあたり7トンの圧力を受ける可能性があります。 しかし、非常に密度が高く重く、重さは 7.8 グラム/立方センチメートルです。 チタンなどの他の金属は鉄よりも強くて軽いです。 また、複数の元素を組み合わせた特定の合金はさらに強度が高くなります。 強力で軽量な素材により、軽量の防弾チョッキやより優れた医療機器が可能になり、より安全で高速な車や飛行機が実現しました。 たとえば、電気自動車の航続距離を延ばす最も簡単な方法は、バッテリーを大きくするのではなく、安全性と寿命を犠牲にすることなく車両自体を軽量化することです。 しかし、近年伝統的な冶金技術は限界に達しており、材料科学者は新しい軽量高強度材料を開発するためにさらに創造性を発揮する必要がありました。

今回、Lee らは、DNA から構造を構築し、それをガラスでコーティングすることにより、非常に低密度で非常に強力な材料を作成したと報告しています。 ガラスは割れやすいため、意外な選択に思えるかもしれません。 しかし、ガラスは通常、その構造上の亀裂、傷、原子の欠落などの欠陥が原因で粉々になります。 完璧な立方センチメートルのガラスは 10 トンの圧力に耐えることができますが、これは先月タイタニック号の近くで潜水艦オーシャンゲート タイタンが爆縮した圧力の 3 倍以上です。

大きなガラスを傷なく作るのは非常に難しいです。 しかし研究者たちは、非常に小さな完璧な部品を作る方法を知っていました。 ガラスの厚さが 1 マイクロメートル未満である限り、ほとんどの場合、完璧です。 また、ガラスの密度は金属やセラミックよりもはるかに低いため、完璧なナノサイズのガラスで作られた構造物はどれも強くて軽量でなければなりません。

研究チームは、自己集合する DNA の構造を作成しました。 Magnatiles とほぼ同じように、特定の長さと化学的性質を持つ DNA の断片が、材料の骨格にスナップして結合します。 家や建物の骨組みが DNA でできていることを想像してください。

コロンビア大学とブルックヘブン機能性ナノマテリアルセンターのナノマテリアル科学者であるオレグ・ギャング氏とアーロン・ミケルソン氏は、その後、わずか数百原子の厚さのガラス状物質の非常に薄い層でDNAをコーティングした。 ガラスは DNA 鎖をコーティングしただけで、家や建物内の部屋と同じように、物質の体積の大部分は空きスペースとして残されています。 DNA 骨格はガラスの薄く完璧なコーティングを強化し、材料を非常に強くし、材料の体積の大部分を占める空隙により軽量にしました。 その結果、ガラスナノ格子構造は、鋼鉄に比べて強度が 4 倍高いものの、密度は 5 倍低くなります。 軽量かつ高強度というこの珍しい組み合わせは、これまでに達成されたことがありません。

「DNA を使用して設計された 3D フレームワークのナノ材料を作成し、それらを石化できる能力は、機械的特性を工学的に扱うための大きな機会を開きます。 しかし、それをテクノロジーとして採用するには、まだ多くの研究作業が必要です」とギャング氏は言います。

研究チームは現在、同じ DNA 構造を使用して、ガラスの代わりにさらに強力な超硬セラミックを使用して研究を行っています。 彼らは、どの材料が最も強力になるかを確認するために、さまざまな DNA 構造を実験する計画を立てています。 同じ考え方に基づいた将来の材料は、強度を重視する自動車などの省エネ材料として大いに期待されています。 Lee 氏は、DNA 折り紙のナノアーキテクチャが、これまで想像したことのない、より軽くてより強い材料を作成するための新しい道を開くと信じています。