Dzīvojamās fabrikas

Dzīvojamās fabrikas

Romāns fishman
"Tautas mehānika" №11, 2017

Spīdoši zirnekļi un zīds ar nanocaurulītēm: zinātnieki ir gatavi pārvērst dzīvniekus un augus rūpnīcās nākotnes materiālu ražošanai.

Kukaiņi un zirnekļi ir pilnveidojuši šķiedru audumu prasmi simtiem miljonu gadu garumā, mācot veidot materiālus, kas ir neticami izturīgi un viegli, bioloģiski saderīgi un ķīmiski inerti. Diemžēl to, ka cilvēks tos izmanto tūkstošiem gadu, nonāk līdz banālu zīdtu audumu ražošanai – lai gan jo labāk mēs zinām šo biofiberu īpašības, jo vairāk tas izskatās kā pie mikroskopa naglām. Paņem vismaz web – materiāls ir ticamāks par tēraudu (stiepes izturība ir 1,0-2,7 GPa) un vieglāka nekā oglekļa šķiedra (blīvums 1,3-1,4 g / cm3) Tās īpašības ir salīdzināmas ar labākajām Kevlara un pat jaundzimušo šķiedru versijām, papildus pastiprinātas ar molekulārajiem mezgliem uz polimēru ķēdēm. Lieliski apģērbi un kabeļi, izturīgi bioloģiski noārdāmie maisiņi, ķirurģiskās stīgas un pat ķermeņa bruņas varētu nonākt tīmeklī.

Šīs īpašības aug no zirnekļa pavediena sarežģītās struktūras. Spider olbaltumvielas, tādas kā spidroīns, izdalās ar īpašām dziedzeriem un sastāv galvenokārt no aminoskābēm glicīns un alanīns.Tā kā sekrēcija nostiprinās gaisā, maza un mobila glicīns veido elastīgu un amorfu bāzes struktūru, bet alanīns tiek sakārtots spēcīgos "kristāliskos" domēnos, kurus papildus var piesaistīt serīna aminoskābju atlikumu sulfīda tiltiem. Tas ir reāls biokomponents, kura kompleksā struktūra ļauj sasniegt unikālas īpašības. Amorfā bāzē var iekļaut papildu molekulas, dodot tai jaunas īpašības: piemēram, pirolidīns skandāla no skudras un tajā pašā laikā aktīvi uzsūc ūdeni, saglabājot tīklu optimāli hidratētā stāvoklī.

Pastiprināšana

Šādu "sakausējumu" savienojumu klātbūtne nav neparasta dabīgiem polimēriem. Metālu ieslēgumi stiprina dažu kukaiņu žokļus, un minerālu kristāli padara gastronomijas jostas zobus par visizturīgākajiem no visiem dabīgajiem materiāliem. Nav pārsteidzoši, ka zinātnieki arī mēģina uzlabot tīmekļa īpašības, ieviešot mākslīgās piedevas – nanodaļiņas, oglekļa nanocaurules un pat kadmija pusvadītāju mikrokristālus, kuru pārklājums padarīja tīmekli fluorescējošu. Kā likums, tie tiek vienkārši izsmidzināti uz vītnes.Nebija iespējams injicēt daļiņas savā struktūrā, kamēr Itālijas un Lielbritānijas fiziķis Nicola Puño netīra dzīvniekus ar ūdeni ar grafēnu plēksnēm un nanocaurulītēm.

Viņa komanda 2015. gadā spēja pierādīt, ka darbojas tik vienkārša metode: vajadzīgās piedevas iekritušas arakonoidā, dažkārt palielinot izturību un stiepes spēku. Ķīnas zinātnieki šo pieeju uzreiz izmantoja, izmantojot tādu pašu metodi, lai iegūtu zīda šķiedras divreiz lielāku. Savukārt profesors Punio uzlaboja savu metodi, un 2017. gada septembrī publicēja rezultātus, pētot desmitiem dažādu zirnekļu pavedienus, kuri tika padziļināti ar vienstāva nanocaurulītēm vai tajā atšķaidītu grafenu. Tās interneta maksimālie rādītāji izrādījās daudz labāki nekā dabiskajā: pateicoties nanocaurulēm, viens no virzieniem spēja izturēt slodzi līdz 5400 MPa un pirms sabrukšanas absorbēt līdz 1567 J / g enerģijas. "Dabisko pastiprināšanas procedūru var izmantot arī citiem dzīvniekiem un augiem," Puño un viņa darba līdzautori ir pārliecināti, "tas novedīs pie jaunas klases inovatīvu bionisko kompozītu parādīšanās."

Ražošana

Itālijas profesors jau vairāk nekā gadu mēģina apvienot nanotehnoloģiju un biotehnoloģiju. Viņš pat patentēja metodi, lai ražotu porainu gumiju, "pastiprinātu" ar nanocaurulītēm, kurās dobumus radušās fermentējot raugu. Tagad Pušu, šķiet, gatavojas pārvērst dzīvajos organismos videi draudzīgās rūpnīcās ar moderniem materiāliem. Patiesībā biokomponentes, piemēram, gliemeži, gliemji, ķītis un zirnekļi ir pārāki par daudziem mākslīgiem analogiem, un zinātnieki nav atteikušies no mēģinājumiem radīt tehnoloģijas to rūpnieciskās sintēzei un modifikācijai. Viņiem izdodas ekstrakts spidroīns no zirnekļa dziedzeriem un to izmanto, lai izveidotu šķiedras pavedienus, izmantojot elektrostatiskas un citas metodes. Tomēr visas šīs pieejas ir sarežģītas, laboratorijas un to mērogošana ekonomiski dzīvotspējīgā ražošanā vēl nav iespējama.

Un vai tie ir nepieciešami, ja efektīvi dabiskie ražotāji pārmeklētu, peldētos un vienkārši audzētu: čitīna gliemežu rūpnīcas, spidroinstrumentu donordi, kas pastiprināti ar nanofilru … Mūsu jautājums bija, kādus materiālus šādā veidā varētu "uzlabot", Nikola Puño atbildēja: "Jā, burtiski viss, ieskaitot vaboļu vaboles, koksni ucPiemēram, zinātnieki uzskata, ka šādi risinājumi ne tikai sasniegs labākās materiālu īpašības, bet arī padarīs tās drošu lietošanai pat medicīnā. Nu, kā palielināt mūsu kaulu stiprību, ievadot nanocaurules? "Līdz šim tas izklausās pārāk fantastiski, – saka profesors Punio, – taču tomēr nekad neteiciet "nekad". "

Kādus neeksistējošus materiālus jūs sagaidāt tuvākajā nākotnē?

Artem Oganov, ķīmiķis, datoru projektēšanas speciālists jauniem materiāliem:

Nr. 1. Supravadītāji. Bija reāla cerība radīt vielas, kas saglabā nulles pretestību pat parastajā temperatūrā un spiedienā. Aprēķiniem būs galvenā loma viņu meklēšanā, piemēram, ieraksts augstas temperatūras supravadītājs H3S (-70 ° C) vispirms teorētiski prognozēja ķīniešu zinātnieki, izmantojot manu metodi un tikai pēc tam sintezētus. Ar telpas supravadītāju parādīšanās notiks revolūcija, un jebkuras revolūcijas sekas ir neparedzamas.

№ 2. Termoelektriķis – materiāli, kas pārvērš siltumu elektroenerģijā. Šobrīd pastāv, bet to izmantošana ir ierobežota, jo ir zems efektivitāte.Ja ir iespējams palielināt efektivitāti vismaz divas reizes, tiks atvērtas pilnīgi jaunas nišas: termoelektri savāc parazitīvu siltumu automašīnās un lidmašīnās, nodrošinās apģērbu ar "klimata kontroles" sistēmu. Aprēķini liecina, ka tas ir iespējams.

№ 3. Materiāli fotokatalizācijai. Gaismas iedarbības rezultātā tie var satraukties un var paātrināt tādas reakcijas kā, piemēram, ūdens sadalīšana ūdeņraža iegūšanai vai mākslīgā benzīna sintezēšana no ūdens un CO.2. Sekas ir skaidras – revolūcija enerģētikas nozarē.

№ 4. Jaunie magnēti. Gandrīz visi labie magnēti ietver dārgus un grūti raktuvētus retzemju elementus. Es patiešām vēlos atbrīvoties no tā, un tuvākajā nākotnē šo uzdevumu var atrisināt. Ja tam arī izdosies uzlabot efektivitāti (vai tas ir iespējams, lai gan nav skaidrs, ka pastāv šaubas), principā būs pieejami jauni dzinēju veidi. "


Like this post? Please share to your friends:
Atbildēt

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: