Создан новый биоматериал, прочность которого превосходит прочность стали и паучьего шелка - «Наука и технологии»

Группа шведских исследователей, использовавших источник рентгеновского излучения DESY PETRA III, создала новый вид биоматериала, который является самым прочным материалом биологической природы на сегодняшний день. Прочность этому материалу обеспечивают тончайшие целлюлозные волокна, превосходящие по своим характеристикам даже паучий шелк, который до этого момента считался самым прочным биоматериалом на свете.

Целлюлозные нановолокна (cellulose nanofibres, CNF) являются основным материалом, из которого состоит практически все растительного происхождения. Используя разработанный ими производственный метод, исследователи сумели придать свойства целлюлозных нановолокон новому легкому материалу, который может стать более экологически чистой альтернативой пластикам, использующимся в автомобильной, мебельной, авиационной, других областях промышленности и в медицине.

Ученые взяли за основу коммерчески доступные целлюлозные нановолокна, диаметр которых равен от 2 до 5 нанометров, а длина - порядка 700 нанометров. Эти нановолокна были размешаны в воде, которая вытекала через тонкий канал, диаметром в один миллиметр. Выходная часть этого канала проходила сначала через полость, заполненную деионизированной водой, а затем, через воду с низким значением pH-фактора. За счет некоторых технологических уловок, поток воды с нановолокнами ускорялся и сжимался.

Этот процесс получил название гидродинамической фокусировки (hydrodynamic focussing), он позволил выровнять все нановолокна в потоке в одну сторону и они связались в достаточно плотное более толстое волокно, скрепленное силами молекулярных и надмолекулярных связей, такими, как силы Ван-дер-Ваальса.

Используя рентген, излучаемый источником PETRA III, исследователи смогли изучить все тонкости и максимально оптимизировать производственный процесс. И в результате этого на свет появилась целлюлозная нить, толщиной 15 микрометров и длиной в несколько метров. Проведенные испытания показали, что столь тонкая нить выдерживает усилие на разрыв в 86 ГПа, а ее предел прочности равен 1.57 ГПа.

И в заключение отметим, что данные исследования открывают путь к разработке целого ряда новых материалов на основе целлюлозных нановолокон, которые могут быть использованы даже для изготовления больших структур за счет их высокого прочности. А модернизация нового технологического процесса, как надеются ученые, позволит производить нити не из целлюлозы, а из углеродных нанотрубок и других наноматериалов. Такие нити будут невероятно прочны и когда они появятся на свет, можно будет начинать думать о практической реализации такой фантастической идеи, как космический орбитальный лифт.