科学者が鋼鉄よりも5倍軽く4倍強い新素材を開発

強度と軽量性を兼ね備えた材料は、自動車から飛行機、医療機器に至るまで、あらゆるものを改善することができます。 今回、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、非常に低密度で非常に強力な材料を作成しました。

コロンビア大学およびブルックヘブン国立研究所の同僚と提携したコネチカット大学のソクウー・リー氏は、「所定の密度では、当社の材料が既知の中で最も強力である」と述べています。

「私はアイアンマン映画の大ファンです」とナノマテリアル科学者のオレグ・ギャングはこう語った。 「私はアイアンマンのためにより良いアーマーをどうやって作るかいつも考えていました。 彼がより速く飛ぶには、とても軽いに違いない。 敵の攻撃から身を守るには、とても丈夫でなければなりません。

「私たちの新素材は鋼鉄の 5 倍軽量ですが、強度は 4 倍です。」

チタンなどの一部の金属は鉄よりも強くて軽いです。 特定の合金はさらに強度が高く、軽量の防弾チョッキ、より優れた医療機器、より安全で高速な車や飛行機を可能にします。 近年、冶金技術は限界に達し、ナノ素材が創造的な機会を解き放ちました。

研究チームは、Cell Reports Physical Scienceで、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た。 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。これは、今年の夏に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。

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UCONN News によると、大きなガラスを傷なく作るのは非常に難しいそうです。 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。

コロンビアおよびブルックヘブン機能性ナノマテリアルセンターのギャング・ミケルソンとアーロン・ミケルソンは、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、足場のように、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空隙が占めることで、軽量になりました。

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その結果、ガラスナノ格子構造は、これまでに達成されたことのない強度と軽さの組み合わせを生み出しました。

「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、それらを石化する能力は、機械的特性を工学的に扱うための巨大な機会を開きます。」 ギャング氏は UConn ニュースリリースで説明した。

しかし、まだ多くの研究作業が必要です。 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。

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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。