Connecticut Üniversitesi’nden araştırmacılar ve meslektaşları, DNA’yı yapılandırıp ardından camla kaplayarak son derece dayanıklı, hafif bir malzeme yarattılar. Nanokafes yapısı ile karakterize edilen ortaya çıkan ürün, benzersiz bir güç ve düşük yoğunluk kombinasyonu sergiliyor ve bu da onu araç imalatı ve vücut zırhı gibi uygulamalarda potansiyel olarak faydalı kılıyor. (Sanatçının konsepti.)
Araştırmacılar, DNA kullanarak bir yapı oluşturup ardından bunu camla kaplayarak son derece düşük yoğunluğa sahip oldukça sağlam bir malzeme geliştirdiler.
Hem dayanıklılığa hem de hafiflik, otomobillerden vücut zırhlarına kadar her şeyi geliştirme potansiyeline sahiptir. Ancak genellikle, iki nitelik birbirini dışlar. Bununla birlikte, Connecticut Üniversitesi’ndeki araştırmacılar, işbirlikçileri ile birlikte inanılmaz derecede güçlü ancak hafif bir malzeme ürettiler. Şaşırtıcı bir şekilde, bunu iki beklenmedik yapı taşı kullanarak başardılar: DNA ve cam.
UConn’da malzeme bilimcisi olan Seok-Woo Lee, “Verilen yoğunluk için malzememiz bilinen en güçlü malzemedir” diyor. UConn, Columbia Üniversitesi ve Brookhaven Ulusal Laboratuvarı’ndan Lee ve meslektaşları ayrıntıları 19 Temmuz’da Cell Reports Physical Science’da bildirdiler.
Kuvvet görecelidir. Örneğin demir, santimetre kare başına 7 ton basınca dayanabilir. Ama aynı zamanda çok yoğun ve ağır, 7,8 gram/santimetreküp. Titanyum gibi diğer metaller demirden daha güçlü ve daha hafiftir. Ve birden fazla elementi birleştiren bazı alaşımlar daha da güçlüdür. Güçlü, hafif malzemeler, hafif vücut zırhlarına, daha iyi tıbbi cihazlara olanak sağladı ve daha güvenli, daha hızlı arabalar ve uçaklar yaptı.
UConn ve Brookhaven Ulusal Laboratuvarı’ndan malzeme bilimcileri, son derece güçlü, hafif bir araç geliştirdiler. DNA ve camdan malzeme. Üstteki resim serisi (A), yapının iskeletinin DNA ile nasıl bir araya getirildiğini ve ardından camla kaplandığını gösteriyor. (B) malzemenin bir transmisyon elektron mikroskobu görüntüsünü gösterir ve (C) sağ taraftaki iki panelin farklı ölçeklerdeki özellikleri yakınlaştırdığı bir taramalı elektron mikroskobu görüntüsünü gösterir. Kredi: Connecticut Üniversitesi
Örneğin, bir elektrikli aracın menzilini genişletmenin en kolay yolu, pili büyütmek değil, güvenlikten ve kullanım ömründen ödün vermeden aracın kendisini daha hafif hale getirmektir. Ancak geleneksel metalürji teknikleri son yıllarda bir sınıra ulaştı ve malzeme bilimcilerin yeni hafif yüksek mukavemetli malzemeler geliştirmek için daha da yaratıcı olmaları gerekti.
Şimdi, Lee ve meslektaşları, DNA’dan bir yapı oluşturarak bunu bildiriyor. ve sonra onu camla kaplayarak, çok düşük yoğunluğa sahip çok güçlü bir malzeme oluşturmuşlar. Cam, kolayca kırıldığı için şaşırtıcı bir seçim gibi görünebilir. Bununla birlikte, cam genellikle yapısındaki bir çatlak, çizik veya eksik atomlar gibi bir kusur nedeniyle kırılır. Kusursuz bir santimetreküp cam, 10 tonluk basınca dayanabilir; bu, geçen ay Oceangate Titan sualtı aracını Titanik yakınlarında patlatan basıncın üç katından fazladır.
Kusursuz büyük bir cam parçası yaratmak çok zordur. Ancak araştırmacılar çok küçük kusursuz parçaları nasıl yapacaklarını biliyorlardı. Camın kalınlığı bir mikrometreden az olduğu sürece neredeyse her zaman kusursuzdur. Ve camın yoğunluğu, metaller ve seramiklerden çok daha düşük olduğu için, kusursuz nano boyutlu camdan yapılan tüm yapıların güçlü ve hafif olması gerekir.
Ekip, kendi kendine birleşen DNA’dan oluşan bir yapı oluşturdu. Neredeyse Magnatiles gibi, belirli uzunluklara ve kimyaya sahip DNA parçaları kendilerini bir araya getirerek malzemenin bir iskeletini oluşturdu. Bir ev veya binanın çerçevesini hayal edin, ancak DNA’dan yapılmış.
Columbia Üniversitesi ve Brookhaven’in Fonksiyonel Nanomalzemeler Merkezi’ndeki nanomalzeme bilim adamları Oleg Gang ve Aaron Mickelson, daha sonra DNA’yı çok ince bir cam tabakasıyla kapladılar. sadece birkaç yüz atom kalınlığında malzeme gibi. Cam, DNA sarmallarını yeni kapladı ve malzeme hacminin büyük bir bölümünü, tıpkı bir ev veya binadaki odalar gibi boş alan olarak bıraktı.
DNA iskeleti, cam yapımında kullanılan ince, kusursuz kaplamayı güçlendirdi. malzeme çok güçlüydü ve malzemenin hacminin çoğunu oluşturan boşluklar onu hafif kılıyordu. Sonuç olarak, cam nanokafes yapıları çelikten dört kat daha yüksek mukavemette ancak beş kat daha düşük yoğunluktadır. Hafiflik ve yüksek mukavemetin bu alışılmadık kombinasyonu daha önce hiç elde edilmemişti.
“DNA kullanarak tasarlanmış 3B çerçeve nanomalzemeler oluşturma ve bunları mineralleştirme yeteneği, mühendislik mekanik özellikleri için muazzam fırsatlar sunuyor. Ancak onu bir teknoloji olarak kullanabilmemiz için hâlâ çok araştırma yapılması gerekiyor,” diyor Gang.
Ekip şu anda aynı DNA yapısıyla çalışıyor ancak cam yerine daha da güçlü karbür seramikler kullanıyor. Malzemeyi hangisinin daha güçlü yaptığını görmek için farklı DNA yapılarıyla deney yapmayı planlıyorlar. Aynı konsepti temel alan geleceğin malzemeleri, güce öncelik veren araçlar ve diğer cihazlar için enerji tasarruflu malzemeler olarak büyük umut vadediyor. Lee, DNA origami nano mimarisinin daha önce hiç hayal etmediğimiz daha hafif ve daha güçlü malzemeler yaratmak için yeni bir yol açacağına inanıyor.
“Demir Adam filmlerinin büyük bir hayranıyım ve her zaman nasıl bir malzeme yaratılacağını merak etmişimdir. Iron Man için daha iyi zırh. Daha hızlı uçması için çok hafif olmalı. Onu düşman saldırılarından korumak için çok güçlü olmalı. Yeni malzememiz çelikten beş kat daha hafif ancak dört kat daha güçlü. Bu nedenle, Demir Adam için geliştirilmiş bir zırh oluşturmak için cam nanokafeslerimiz diğer tüm yapısal malzemelerden çok daha iyi olacaktır.”
Referans: “Yüksek mukavemetli, hafif nano mimarili silika”, Aaron Michelson, Tyler J. Flanagan, Seok-Woo Lee ve Oleg Gang, 27 Haziran 2023, Cell Reports Physical Science.
DOI: 10.1016/j.xcrp.2023.101475