Materialen die zowel sterk als licht van gewicht zijn, kunnen alles verbeteren, van auto's tot kogelvrije vesten. Maar meestal sluiten de twee kwaliteiten elkaar uit. Nu hebben onderzoekers en collega's van de Universiteit van Connecticut een buitengewoon sterk, lichtgewicht materiaal ontwikkeld met behulp van twee onwaarschijnlijke bouwstenen:DNA en glas.

"Voor de gegeven dichtheid is ons materiaal het sterkst bekende", zegt Seok-Woo Lee, materiaalwetenschapper bij UConn. Lee en collega's van UConn, Columbia University en Brookhaven National Lab rapporteerden de details op 19 juli in Cell Reports Physical Science .

Kracht is relatief. IJzer kan bijvoorbeeld zeven ton druk per vierkante centimeter verdragen. Maar het is ook erg compact en zwaar, met een gewicht van 7,8 gram/kubieke centimeter. Andere metalen, zoals titanium, zijn sterker en lichter dan ijzer. En bepaalde legeringen die meerdere elementen combineren, zijn zelfs nog sterker. Sterke, lichtgewicht materialen hebben lichtgewicht kogelvrije vesten en betere medische apparatuur mogelijk gemaakt en veiligere, snellere auto's en vliegtuigen gemaakt.

De eenvoudigste manier om de actieradius van een elektrisch voertuig te vergroten is bijvoorbeeld niet door de accu te vergroten, maar door het voertuig zelf lichter te maken, zonder dat dit ten koste gaat van de veiligheid en de levensduur. Maar traditionele metallurgische technieken hebben de afgelopen jaren een limiet bereikt en materiaalwetenschappers moesten nog creatiever worden om nieuwe lichtgewicht materialen met hoge sterkte te ontwikkelen.

Nu melden Lee en collega's dat ze, door een structuur uit DNA te bouwen en deze vervolgens met glas te bedekken, een zeer sterk materiaal met een zeer lage dichtheid hebben gecreëerd. Glas lijkt misschien een verrassende keuze, omdat het gemakkelijk versplintert. Glas breekt echter meestal vanwege een fout in de structuur, zoals een barst, kras of ontbrekende atomen. Een onberispelijke kubieke centimeter glas kan een druk van 10 ton weerstaan, meer dan driemaal de druk die vorige maand de onderzeeër Oceangate Titan bij de Titanic deed imploderen.

Het is erg moeilijk om een ​​groot stuk glas zonder gebreken te maken. Maar de onderzoekers wisten heel kleine, foutloze stukjes te maken. Zolang glas minder dan een micrometer dik is, is het bijna altijd onberispelijk. En aangezien de dichtheid van glas veel lager is dan die van metalen en keramiek, moeten alle structuren gemaakt van onberispelijk glas van nanoformaat sterk en licht van gewicht zijn.

Het team creëerde een structuur van zelfassemblerend DNA. Bijna net als bij Magnatiles klikten stukjes DNA van specifieke lengtes en chemie zichzelf samen tot een skelet van het materiaal. Stel je het frame van een huis of gebouw voor, maar dan gemaakt van DNA.

Oleg Gang en Aaron Mickelson, wetenschappers op het gebied van nanomaterialen aan Columbia University en Brookhaven's Center for Functional Nanomaterials, bedekten het DNA vervolgens met een zeer dunne laag glasachtig materiaal van slechts een paar honderd atomen dik. Het glas bedekte nog maar net de DNA-strengen, waardoor een groot deel van het materiële volume als lege ruimte achterbleef, net zoals de kamers in een huis of gebouw.

Het DNA-skelet versterkte de dunne, onberispelijke coating van glas, waardoor het materiaal erg sterk was, en de holtes die het grootste deel van het volume van het materiaal vormden, maakten het lichtgewicht. Als gevolg hiervan hebben glazen nanoroosterstructuren een vier keer hogere sterkte maar een vijf keer lagere dichtheid dan staal. Deze ongebruikelijke combinatie van lichtgewicht en hoge sterkte is nog nooit eerder bereikt.

"Het vermogen om ontworpen 3D-nanomaterialen te creëren met behulp van DNA en deze te mineraliseren opent enorme mogelijkheden voor het manipuleren van mechanische eigenschappen. Maar er is nog veel onderzoekswerk nodig voordat we het als technologie kunnen gebruiken", zegt Gang.

Het team werkt momenteel met dezelfde DNA-structuur, maar vervangt glas door nog sterkere carbide-keramiek. Ze hebben plannen om te experimenteren met verschillende DNA-structuren om te zien welke het materiaal het sterkst maakt.

Toekomstige materialen gebaseerd op ditzelfde concept zijn veelbelovend als energiebesparende materialen voor voertuigen en andere apparaten die prioriteit geven aan sterkte. Lee gelooft dat DNA-origami-nanoarchitectuur een nieuwe weg zal openen om lichtere en sterkere materialen te creëren die we ons nog nooit eerder hebben voorgesteld.

"Ik ben een grote fan van Iron Man-films en heb me altijd afgevraagd hoe ik een beter pantser voor Iron Man kan maken. Het moet heel licht voor hem zijn om sneller te vliegen. Het moet heel sterk zijn om hem te beschermen tegen aanvallen van vijanden. Ons nieuwe materiaal is vijf keer lichter maar vier keer sterker dan staal. Onze glazen nanoroosters zouden dus veel beter zijn dan welk ander structureel materiaal dan ook om een ​​verbeterd pantser voor Iron Man te creëren."

Meer informatie: Aaron Michelson et al, Zeer sterk, lichtgewicht silica met nanoarchitectuur, Cell Reports Physical Science (2023). DOI:10.1016/j.xcrp.2023.101475

Journaalinformatie: Celrapporten natuurwetenschappen

Aangeboden door Universiteit van Connecticut