2 
Как молекулярные мостики укрепляют лед
Как сообщается в исследовании, опубликованном в научном журнале Colloids and Surfaces B: Biointerfaces, над созданием композита работала научная группа под руководством профессора Роберта Х. Смита с факультета сельского хозяйства, продовольствия и окружающей среды Еврейского университета в Иерусалиме Идо Браславского.
Новый материал способен поглощать примерно в 70 раз больше энергии до момента разрушения, чем обычный лед. Вместо внезапного растрескивания он демонстрирует способность постепенно деформироваться под критической нагрузкой.
Уникальные свойства материала обеспечивают нанокристаллы целлюлозы – микроскопические жесткие частицы, полученные из растительного сырья. Во время кристаллизации они формируют пространственную трехмерную сетку вокруг микроскопических участков льда. Чтобы связать компоненты между собой, ученые разработали специальный белок с отдельными участками, которые прикрепляются ко льду и целлюлозе. Этот молекулярный мост зафиксировал армирующую сетку, что удвоило показатели прочности и поглощения энергии по сравнению с обычной смесью целлюлозы и воды.
Мы хотели выйти за пределы простого смешивания волокон со льдом и вместо этого контролировать связь между различными материалами на молекулярном уровне. Полученный результат изменяет не только прочность льда, но и характер его разрушения: вместо мгновенного раскола он поглощает значительно больше энергии и деформируется постепенно,
– прокомментировал руководитель исследования Идо Браславский.
От военных проектов до экологичного строительства
Обычный лед ломается внезапно из-за стремительного распространения трещин вдоль кристаллической решетки. В материале BioPykrete целлюлозная сетка создает физические препятствия, которые останавливают или перенаправляют линии разломов, а искусственные белковые связи существенно повышают энергию, необходимую для дальнейшего разрыва структуры.
Эта концепция берет свое начало в экспериментах времен Второй мировой войны. Тогда разработчики создали пайкрит – смесь льда и древесной пульпы, которая таяла медленнее и выдерживала большие нагрузки, чем чистый лед. Новый BioPykrete использует тот же фундаментальный подход, но заменяет грубые древесные волокна наноразмерной армировкой и управляемыми молекулярными связями для достижения принципиально иного уровня механических характеристик.
Авторы проекта видят значительный потенциал для практического использования материала в экстремальных условиях Арктики и Антарктики. Доставка традиционных стройматериалов, таких как бетон и сталь, в полярные регионы требует колоссальных логистических и финансовых затрат. Поскольку разработка почти полностью состоит из воды и растительной биомассы, она представляет собой биоразлагаемую альтернативу с минимальным углеродным следом для возведения полярных сооружений.
Какие испытания ждут новый материал
Несмотря на высокие лабораторные показатели, BioPykrete пока остается экспериментальным подтверждением концепции. Успешные испытания не дают ответа на вопрос, как материал будет вести себя в течение длительного срока эксплуатации в реальных зданиях. Ученым еще предстоит исследовать устойчивость композита к многократным циклам замерзания и оттаивания, длительной статической нагрузке и постепенной деформации под постоянным давлением.
Дальнейшие серии испытаний покажут, как именно возникают трещины внутри армированной матрицы. Инженеры планируют протестировать другие комбинации белков и различные режимы замораживания, чтобы приблизить материал от лабораторных образцов к полноценному практическому применению на строительных площадках.