Ученые из Еврейского университета в Иерусалиме создали новый вид льда, который по прочности на сжатие приближается к обычному бетону. Материал под названием BioPykrete (биопикрит) примерно в десять раз прочнее чистого льда под нагрузкой и способен поглотить около 70 раз больше энергии до разрушения. Исследование под руководством профессора Идо Браславского с факультета сельского хозяйства, продовольствия и окружающей среды имени Роберта Х. Смита опубликовано в журнале Colloids and Surfaces B: Biointerfaces.
В отличие от обычного льда, который при распространении трещин внезапно раскалывается, усиленный материал деформируется и разрушается постепенно. Необычные свойства ему придают нанокристаллы целлюлозы — мельчайшие жесткие частицы, получаемые из природного вещества, которое придает прочность растениям. При замерзании эти частицы образуют трехмерную сеть, окружающую микроскопические участки льда.
Чтобы укрепить связь между двумя компонентами, исследователи разработали белок с отдельными участками, которые соединяются со льдом и целлюлозой. Этот молекулярный мостик закрепляет армирующую сеть на льду и делает структуру более связанной. Добавление белка удвоило как прочность, так и поглощение энергии по сравнению с похожей смесью, где была целлюлоза, но не было созданного учеными белка.
«Мы хотели не просто смешать волокна со льдом, а управлять тем, как разные материалы соединяются на молекулярном уровне, — приводит SciTechDaily слова Браславского. — Результат меняет не только прочность льда, но и то, как он ломается. Вместо внезапного раскалывания он может поглощать гораздо больше энергии и деформироваться постепенно».
Обычный лед может разрушаться внезапно, потому что мелкие трещины быстро распространяются по его кристаллической структуре. В BioPykrete целлюлозная сеть создает препятствия, которые прерывают или перенаправляют растущие трещины. По предположению исследователей, белковые связи делают эту сеть более устойчивой к деформации и разрыву, увеличивая энергию, необходимую для распространения трещин. Концепция опирается на необычный эксперимент времен Второй мировой войны: тогда ученые создали пикрит — смесь льда и древесной пульпы, которая была прочнее и медленнее таяла, чем чистый лед.
По мнению исследователей, материал может пригодиться в Арктике и Антарктике, где доставка бетона и стали стоит дорого и связана с логистическими сложностями. Поскольку BioPykrete в основном состоит из льда и целлюлозы растительного происхождения, в перспективе он может стать биоразлагаемой альтернативой с меньшим углеродным следом для некоторых конструкций в очень холодных регионах. Однако пока это лишь экспериментальное подтверждение концепции: лабораторные результаты не показывают, выдержит ли материал годы эксплуатации. Ученым еще предстоит изучить его поведение при многократном замораживании и оттаивании, длительных нагрузках и постепенной деформации под постоянным давлением, а также проверить, помогут ли другие белки или методы заморозки улучшить его свойства.