Дослідники з Єврейського університету в Єрусалимі розробили новий композитний матеріал на основі льоду, який значно перевершує звичайний замерзлий матеріал за міцністю та стійкістю до руйнування. Розробка отримала назву BioPykrete. Під час лабораторних випробувань вона продемонструвала здатність витримувати навантаження, співставні з показниками традиційного бетону.
Як повідомляє Interesting Engineering, новий матеріал приблизно в десять разів краще протистоїть стисканню, ніж звичайний лід. Водночас він не настільки крихкий: під значним навантаженням BioPykrete може деформуватися, а не миттєво розколюватися на окремі фрагменти.
Сам принцип зміцнення льоду має давню історію. Ще у період Другої світової війни вчені працювали з пайкретом — матеріалом, у якому лід поєднували з деревинною масою. Така суміш була міцнішою та повільніше танула. Сучасна команда на чолі з професором Ідо Браславським вирішила вдосконалити цю концепцію за допомогою технологій, які дозволяють контролювати взаємодію компонентів на молекулярному рівні.
Целюлоза формує каркас усередині льоду
Одним із ключових компонентів BioPykrete стали нанокристали целюлози. Це надзвичайно дрібні й тверді структури, пов’язані з механічною міцністю рослинних тканин. Дослідники додали їх до води перед заморожуванням, завдяки чому після утворення льоду всередині матеріалу сформувалася просторова мережа.
Такий каркас оточує кристали льоду та допомагає розподіляти механічне навантаження. Однак використання лише целюлози не дозволяло отримати максимальний ефект, тому науковці розробили додатковий компонент — спеціальний штучний білок.
Він виконує роль своєрідного молекулярного з’єднувача. Одна частина білкової структури взаємодіє з поверхнею льоду, тоді як інша приєднується до целюлози. У результаті між двома компонентами виникає міцний зв’язок, який посилює всю структуру матеріалу.
За результатами експериментів, використання такого «молекулярного клею» приблизно вдвічі покращило показники міцності та здатності поглинати енергію порівняно із сумішами, що складалися тільки з льоду та целюлози.
Новий матеріал витримує значно більші навантаження
Випробування продемонстрували суттєву різницю між BioPykrete та звичайним льодом. Композит приблизно в десять разів стійкіший до стискання, а його механічні характеристики за цим показником наближаються до властивостей звичайного бетону.
Ще помітнішою виявилася різниця у здатності витримувати навантаження до моменту остаточного руйнування. За даними дослідників, BioPykrete може поглинути приблизно у 70 разів більше енергії, ніж чистий лід.
Важливою особливістю матеріалу стала і його поведінка під сильним тиском. Звичайний лід є крихким і після перевищення допустимого навантаження може раптово тріснути та розсипатися. Новий композит натомість здатний поступово змінювати форму та згинатися. Така властивість потенційно робить його безпечнішим для конструкцій, де важливо уникнути раптового руйнування.
BioPykrete можуть використовувати у полярних регіонах
Одним із можливих напрямів застосування технології дослідники називають будівництво в Арктиці та Антарктиці. Доставка традиційних матеріалів, зокрема бетону та сталі, у віддалені полярні райони потребує значних фінансових витрат і складної логістики.
BioPykrete може стати альтернативою для окремих конструкцій у місцевостях, де низькі температури зберігаються протягом тривалого часу. Серед потенційних переваг розробки також називають використання компонентів біологічного походження та можливість створення матеріалу без масштабного транспортування важких будівельних ресурсів.
Водночас про практичне застосування технології говорити поки зарано. BioPykrete залишається експериментальною розробкою, яку необхідно перевірити в умовах, наближених до реальної експлуатації.
Зокрема, науковцям потрібно встановити, як структура реагуватиме на численні цикли замерзання та відтавання. Окремим питанням залишається поведінка матеріалу під тривалим постійним навантаженням. Саме результати таких досліджень покажуть, чи зможе надміцний лід у майбутньому перейти від лабораторних експериментів до використання в реальних конструкціях.
