Природа постоянно вдохновляет учёных на новые открытия и изобретения. Один из самых свежих примеров – новый цемент, который немецкие специалисты создали, "посоветовавшись" с морскими ежами.
Немцы известны своей любовью к практичности и надёжности. Ничего удивительного, что они стремятся создавать технику, здания, дороги и вещи, которые прослужат максимально долго.
Рекордсменом в своей области, вероятно, станет новый цемент, который разработали исследователи из Констанцского университета. Прочность материала обеспечивают особые наноструктуры, очень похожие на те, которые учёные обнаружили в составе игл морских ежей.
Поясним, что морские иглокожие отличаются большим разнообразием. Всех их объединяет, как понятно из названия, одна особенность – шипы или иглы, покрывающие тело.
У морских ежей эти иглы состоят из кальцита (карбоната кальция, CaCO3). Этот материал довольно хрупок, однако иглы отличаются высокой прочностью. Секрет в том, что природа – пожалуй, лучший строитель и архитектор – "выстроила" их по принципу кирпичной стены. Это классический принцип строительства – чередование твёрдых и мягких, скрепляющих материалов (например, таких как "раствор").
Исследователи решили создать цемент по тому же принципу: они подобрали макромолекулы, которые выполняют функцию раствора, прикрепляя друг к другу кристаллические блоки. В итоге последние собираются в упорядоченную структуру, которая обладает выдающимися прочностными свойствами. Речь идёт об упорядочивании на наноуровне.
"Наш цемент гораздо более устойчив к разрушению, чем любые другие аналоги, созданные ранее, и это открывает совершенно новые возможности для строительства", — рассказывает глава исследовательской группы профессор Хельмут Кёльфен (Helmut Cölfen).
По его словам, из нового цемента можно запросто построить столб высотой восемь километров (то есть в десять раз выше самого высокого здания в мире), прежде чем материал разрушится под собственным весом от механического напряжения. Для сравнения: столб из стали, которая выдерживает давление в 250 мегапаскалей, разрушится при высоте в три километра.
Кёльфен поясняет: если изучить под микроскопом иголку морского ежа, можно увидеть, что при механическом напряжении хрупкий кальцит покрывается трещинами. Это происходит из-за такого свойства, как спайность (способность кристалла разрушаться по определённым кристаллографическим плоскостям). Однако трещина не идёт дальше, поскольку энергия перенаправляется в мягкий, неупорядоченный слой – тот самый, который служит "скрепляющим раствором". А этот материал не имеет свойства спайности, и поэтому он сам собой предотвращает дальнейшее растрескивание.
"Наша цель – учиться у природы. Наш главный союзник в развитии технических разработок – это бионика или биомиметика", — добавляет Кёльфен. Напомним, что бионика – это наука о применении в устройствах и системах принципов организации, функций и структур живой природы.
Обычный цемент сам по себе имеет неупорядоченную структуру: каждый компонент просто прилипает ко всем остальным. Если такой материал даст трещину, то её распространение будет очень сложно предотвратить.
Получается, чтобы повысить стабильность цемента, нужно реорганизовать его структуру на наноуровне. Авторы работы назвали этот процесс "сопротивлением разрушению на наноуровне". Исследователи обнаружили около десяти отрицательно заряженных пептидных комбинаций, которые хорошо прилипают и могут выполнять роль скрепляющего раствора.
Новый материал прошёл первичные испытания. Команда использовала ионный пучок электронного микроскопа, чтобы вырезать из наноструктурированного цемента микроструктуру в виде стержня длиной в три микрометра. Затем эту микроструктуру попробовали согнуть при помощи микроманипулятора. Как только он перестал воздействовать на исследуемый объект, микроструктура вернулась в исходное положение.
Механические параметры нового материала, которые эксперты определили после такой упругой деформации, впечатляют. Новый цемент сможет выдержать давление в 200 мегапаскалей. Для сравнения: раковины мидий, которые считаются "золотым стандартом сопротивления разрушению", выдерживают механическое напряжение до 210 мегапаскалей (сталь, как уже упоминалось, до 250 мегапаскалей).
А вот бетон, который повсеместно используется в строительстве, выдерживает давление от 2 до 5 мегапаскалей.
Авторы заключают: прочность нового бетона будет выше всех существующих аналогов в десятки раз (от 40 до 100).
Команда намерена продолжить совершенствование нового цемента и планирует создание новых высокоэффективных материалов, устойчивых к разрушению. По "чертежам природы" можно разработать ещё множество сверхпрочных материалов, уверены специалисты.
Статья с более подробным описанием текущей разработки опубликована в издании Materials Science.
Напомним также, что ранее инженеры создали новый бетон, который спасёт дороги от обледенения, а корпорации – от промышленного шпионажа. Мы рассказывали и о других разработках – бетоне, который защитит старые здания от землетрясений, а также "зелёном" бетоне, который соответствует самым высоким экологическим стандартам.
