№ 3

Сентябрь/2022

Russian Traveler 03/2022

Создан чрезвычайно прочный материал, который может стать заменой кевлару

Фото: University of Portsmouth

Ученые надеются начать масштабированное производство материала.

Ученые из Университета Портсмута в 2015 году обнаружили, что самый прочный биологический материал – это «зубы» моллюска, известного как морское блюдечко. Это общеупотребительное название для различных солено- и пресноводных улиток (водных брюхоногих моллюсков). Оно относится к улиткам с простой раковиной, обычно конической формы, не свернутой в спираль.

Во рту у моллюсков есть специальный орган – радула, или тёрка, которую можно уподобить языку, усеянному зубами.

Зубы этих существ обладают самой высокой прочностью на растяжение среди всех биологических материалов. Вдохновившись этими кремневыми клыками, та же команда создала композитный биоматериал с чрезвычайной прочностью, который может стать более устойчивой альтернативой высокоэффективным материалам, таким как кевлар.

Моллюски-блюдечки очень хорошо цепляются за скалы вдоль береговой линии, и частью этого прибрежного образа жизни является отличное владение зубами на неровных поверхностях, благодаря чему они собирают водоросли для кормления. 

В исследовании семилетней давности ученые использовали атомно-силовую микроскопию для изучения материала зуба блюдечка и его анализа на атомном уровне. Работа показала, что зубы существа имеют прочность на растяжение от 3 до 6,5 гигапаскалей (ГПа). Для сравнения, прочнейший драйглайн-шелк пауков имеет предел прочности на разрыв около 1,3 ГПа, а сталь – около 1,65 ГПа.

Ученые считают, что причиной невероятной прочности на растяжение зуба блюдечка является густая сеть хитиновых волокон с мелкими кристаллами железосодержащего геотита, разбросанными повсюду в их зубах. 

В настоящее время команда создала систему, которая позволяет формировать аналогичные структуры в лаборатории, которая начинается со стекла, покрытого сывороткой, хитина и оксида железа, нанесенных сверху. Через две недели они самоорганизуются в орган, ответственный за формирование зубов блюдечка, называемый радула.

Фото: University of Portsmouth
Биоматериал, вдохновленный блюдечком, окрашенный красителем берлинская лазурь

Используя комбинацию изолированных клеток радулы, образцов тканей, минерализованного хитина и техники, называемой электропрядением, ученые затем смогли вырастить ленты биомиметических зубов блюдечек шириной полсантиметра.

Новый композитный биоматериал с чрезвычайной прочностью может занять важное место в мире синтетических материалов. Если команда сможет успешно масштабировать процесс, то миру будет представлена более устойчивая альтернатива таким материалам, как кевлар и пластик, которые требуют больших ресурсов для производства и не так легко перерабатываются.

«Полностью синтетические композиты, такие как кевлар, широко используются, но производственные процессы могут быть токсичными, а материалы трудно и дорого перерабатывать», – объясняет Рамни.

В настоящее время исследователи обращают внимание на оптимизацию процесса и его расширение для производства синтетических зубов блюдечек в масштабе, необходимом для массового производства.

«Наш следующий шаг – найти другие способы вызвать образование железа, поэтому мы изучаем секрецию клеток блюдечка, чтобы лучше понять процессы. Мы хотим извлечь интересующие нас гены и, надеюсь, поместить их в бактерии или дрожжи, чтобы вырастить их в больших масштабах. Очевидно, что у нас сейчас кризис пластика в океанах, и я думаю, что это хороший пример того, что мы можем научиться у морских существ тому, как лучше защитить их, заменив использование пластика биологическим аналогом», – резюмирует Рамни.