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當(dāng)DNA與玻璃碰撞，難以置信的輕質(zhì)材料就誕生了，比鋼強(qiáng)4 倍，卻比羽毛還輕 l
文章來源：賢集網(wǎng)     更新時(shí)間：2023-10-24 14:37:38
新材料一直是各國科技競爭的重點(diǎn)領(lǐng)域。最近，一項(xiàng)令人矚目的研究在科學(xué)界引起了轟動(dòng)?？的腋翊髮W(xué)的材料科學(xué)家們通過非傳統(tǒng)手段，將DNA和玻璃融合起來，成功合成了一種令人印象深刻的材料——“DNA玻璃”。據(jù)悉，這種材料比鋼更堅(jiān)固、更輕，被認(rèn)為是已知最強(qiáng)的材料之一。



研究人員通過將 DNA 涂覆在純玻璃上，創(chuàng)造出了一種比鋼鐵更輕、更堅(jiān)固的新型材料。這一突破性發(fā)現(xiàn)利用了玻璃的納米級(jí)結(jié)構(gòu)和 DNA 的獨(dú)特性質(zhì)，有望在工程和國防領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。



尋找既硬又輕的材料一直是一個(gè)挑戰(zhàn)，這兩個(gè)特性往往相互矛盾，但事實(shí)并非如此，這兩個(gè)特性有時(shí)可以并存。



大多數(shù)酷炫的科學(xué)項(xiàng)目都有一些同樣酷炫的靈感來源。這次的靈感來自于鋼鐵俠的標(biāo)志性戰(zhàn)甲。“我是鋼鐵俠電影的忠實(shí)粉絲，我一直想知道如何為鋼鐵俠創(chuàng)造更好的戰(zhàn)甲。它必須非常輕，這樣他才能飛得更快。它必須非常強(qiáng)，才能抵擋敵人的攻擊。我們的新材料比鋼輕五倍，但強(qiáng)四倍。所以，我們的玻璃納米格子會(huì)比任何其他結(jié)構(gòu)材料更適合用來制造一個(gè)改進(jìn)版的鋼鐵俠戰(zhàn)甲。”哥倫比亞大學(xué)的納米材料科學(xué)家 Oleg Gang 說。



制備過程



功能納米材料中心（CFN）是美國能源部科學(xué)辦公室在布魯克海文實(shí)驗(yàn)室的用戶設(shè)施，該中心的材料科學(xué)家奧列格-甘（Oleg Gang）是哥倫比亞大學(xué)的教授，多年來他一直在利用 DNA 的獨(dú)特性質(zhì)進(jìn)行材料合成，并取得了眾多發(fā)現(xiàn)。這項(xiàng)新技術(shù)激發(fā)了一系列創(chuàng)新應(yīng)用--從藥物傳輸?shù)诫娮赢a(chǎn)品。



Gang非常有興趣探索如何增強(qiáng)普通材料（如玻璃）的機(jī)械性能，并在納米尺度上對其進(jìn)行結(jié)構(gòu)化。



他們方法的關(guān)鍵在于利用玻璃本身固有的優(yōu)勢，是的，就是很容易碎裂的玻璃。玻璃之所以容易碎裂，在大多數(shù)情況下與其結(jié)構(gòu)中存在的缺陷有關(guān)，比如裂縫或缺失的原子。然而，在最純凈、最完美的形式下，一小塊玻璃可以承受足以壓碎一些最堅(jiān)固、最重的材料的壓力。



然而，制作大塊無瑕玻璃是極其困難的。這就是為什么當(dāng)使用玻璃作為結(jié)構(gòu)材料時(shí)，其厚度幾乎總是小于一個(gè)微米。由于它比許多金屬和陶瓷都輕，所以由這種純凈的納米級(jí)玻璃制成的結(jié)構(gòu)既堅(jiān)固又輕盈。



科學(xué)家們使用了一層非常薄的二氧化硅玻璃（厚度僅約 5 納米或幾百個(gè)原子）來包裹 DNA 框架，留出內(nèi)部空間，確保制成的材料超輕。在如此小的尺度上，玻璃對缺陷或瑕疵不敏感，從而提供了較大玻璃片所不具備的強(qiáng)度，因?yàn)檩^大的玻璃片會(huì)產(chǎn)生裂縫，導(dǎo)致玻璃破碎。研究小組想知道這種材料的強(qiáng)度到底有多大，這就需要一些非常專業(yè)的設(shè)備。



有一些簡單的方法可以檢查某樣?xùn)|西是否堅(jiān)固。戳、推、靠在物體表面，觀察它們的行為通?？梢蕴峁┯杏玫男畔ⅰＫ鼈兪菑澢?、吱吱作響、倒扣，還是在壓力下巋然不動(dòng)？這是了解物體強(qiáng)度的一個(gè)簡單而有效的方法，即使沒有精確測量的工具。然而，如何按壓一個(gè)小得看不見的物體呢？



米切爾森解釋說：“為了測量這些微小結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，我們采用了一種叫做納米壓痕的技術(shù)。"納米壓痕是一種在非常小的范圍內(nèi)進(jìn)行的機(jī)械測試，使用的是一種可以施加和測量阻力的精密儀器。我們的樣品只有幾微米厚，約為千分之一毫米，因此無法用傳統(tǒng)方法測量這些材料。利用電子顯微鏡和納米壓痕技術(shù)，我們可以同時(shí)測量機(jī)械行為和觀察壓縮過程。”



當(dāng)微型裝置壓縮或壓入樣品時(shí)，研究人員可以進(jìn)行測量并觀察機(jī)械性能。然后，他們就能看到材料在釋放壓縮后恢復(fù)原狀的過程中發(fā)生了什么變化。如果出現(xiàn)任何裂縫或結(jié)構(gòu)在任何時(shí)候失效，都可以記錄下這些寶貴的數(shù)據(jù)。



測試表明，玻璃涂層 DNA 晶格的強(qiáng)度是鋼的四倍！更有趣的是，它的密度比鋼低五倍。雖然有些材料既堅(jiān)固又相當(dāng)輕便，但從未達(dá)到過這種程度。



有望開啟一個(gè)新的超材料時(shí)代



然而，這項(xiàng)研究目前仍處于實(shí)驗(yàn)室階段，離實(shí)際應(yīng)用還有很長的路要走?？茖W(xué)家們承認(rèn)，他們需要進(jìn)一步擴(kuò)大這項(xiàng)技術(shù)的規(guī)模，并進(jìn)行更深入的研究。



雖然在擴(kuò)大這種材料的規(guī)模并考慮其無數(shù)的應(yīng)用之前，仍有許多工作要做，但材料科學(xué)家仍有理由為這意味著什么而感到興奮。研究小組計(jì)劃研究比玻璃更堅(jiān)固的其他材料，如碳化物陶瓷，看看它們是如何工作和表現(xiàn)的。這可能會(huì)在未來研制出更堅(jiān)固的輕質(zhì)材料。



雖然米切爾森的職業(yè)生涯還處于早期階段，但他已經(jīng)取得了很多成就，并且已經(jīng)迫不及待地開始下一階段的研究。



這一研究的結(jié)果引發(fā)了廣泛的討論和思考。有人認(rèn)為，這種創(chuàng)新的材料有望開啟一個(gè)新的超材料時(shí)代，為未來的科技發(fā)展提供巨大機(jī)遇。



盡管如此，無論如何，這種“DNA玻璃”仍然是一項(xiàng)令人振奮的突破。它不僅在科學(xué)上具有重大意義，還有望為我們創(chuàng)造出更先進(jìn)、更輕便、更堅(jiān)固的材料鋪平道路。相信未來，我們將看到這個(gè)世界因這項(xiàng)創(chuàng)新而變得更加美好。

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來源：賢集網(wǎng)
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