Науковці зміцнили лід целюлозою і довели його міцність до рівня бетону

Група дослідників з Єврейського університету в Єрусалимі під керівництвом Ідо Браславскі створила новий матеріал BioPy­krete — армований лід, який у лабораторних умовах виявився приблизно в 10 разів міцнішим за звичайний при стисканні та поглинув у 70 разів більше енергії перед руйнуванням. За міцністю при стисканні він наблизився до показників звичайного бетону.

Основу матеріалу складає лід, армований нанокристалами целюлози — надмалими жорсткими частинками природного полімеру, з якого побудовані клітинні стінки рослин. Третій компонент — спеціально сконструйований химерний білок CBM3a-AFPI­II, який одночасно зв’язується і з кристалами льоду, і з целюлозою, виконуючи роль молекулярного клею між двома матеріалами.

Сама ідея зміцнювати лід рослинними волокнами не нова: в класичному пікриті лід змішують із деревною масою, яка перешкоджає швидкому поширенню тріщин. Автори BioPy­krete перенесли цей принцип на нанометровий рівень, використавши целюлозні нанокристали та білковий «місток» між ними і льодом.

Під час контрольованого заморожування нанокристали целюлози витісняються кристалами льоду, що ростуть, і самоорганізуються у тривимірну мережу. Вона ділить лід на безліч мікроскопічних ділянок — і якщо в одній із них виникає тріщина, целюлозна структура не дає їй вільно пройти крізь весь зразок. Це принципово змінює механізм руйнування: звичайний лід розколюється різко, тоді як BioPy­krete поступово деформується, поглинаючи значно більше енергії.

Внесок химерного білка виявився суттєвим: порівняно зі зразком із льоду та целюлози без молекулярного зв’язуючого, додавання CBM3a-AFPI­II приблизно вдвічі збільшило і міцність, і кількість поглинутої енергії. В експериментальній суміші використовували близько 2% целюлозних нанокристалів і білок у концентрації 50 мікромолей на літр. Дослідники також показали, що цей білок можна отримувати за допомогою бактеріальної ферментації — у деяких процесах вихід очищеного білка сягав близько 0,8 грама з літра поживного середовища.

Автори не стверджують, що BioPy­krete вже готовий замінити бетон: будівельні матеріали оцінюються також за довговічністю, поведінкою при розтягуванні та згинанні, стійкістю до циклів нагрівання й охолодження та багатьма іншими характеристиками. Наразі матеріал позиціонується як доказ працездатності концепції. Попереду — тривалі випробування на довговічність, стійкість до повторних циклів замерзання й відтавання, а також перевірка того, чи зберігаються лабораторні переваги при виготовленні значно більших конструкцій.

Потенційна сфера застосування — насамперед Арктика та інші постійно холодні регіони, де вода для основної маси конструкції є безпосередньо на місці, а доставка бетону чи сталі коштує дорого. Целюлоза є відновлюваним матеріалом, тому дослідники розглядають такий композит як потенційно біорозкладний варіант із меншим вуглецевим слідом для тимчасових або спеціалізованих споруд. Крім того, робота демонструє ширший підхід: химерні білки з двома різними зв’язуючими ділянками можна у майбутньому адаптувати для поєднання інших матеріалів і цілеспрямованої зміни їхніх механічних властивостей.