Морской шприц и структуры Булигана
Исследователи из американского национального института стандартов и технологий (NIST) создали новый композиционный материал - гибкий, прочный, долговечный, нетоксичный и светоотражающий. Но самое интересное, что исходным сырьем для его производства являются необычные компоненты - древесная целлюлоза и высушенные части экзотического морского обитателя.
Материал, которые описывают ученые в своем докладе, опубликованном недавно в издании “Advanced Functional Materials”, вскоре может найти применение в самых разнообразных областях. Это может быть упаковка для продуктов питания, медицинские расходные материалы, строительство, транспортная промышленность и даже космонавтика.
Ключом к этому странному соседству древесных отходов и плотоядному “морскому шприцу”стала так называемая структура Булигана (Bouligand structure), в которой молекулы укладываются в скрученную форму, наподобие крошечной винтовой лестнице. Такое расположение обеспечивает устойчивость к растрескиванию и разрыву - при ударной нагрузке усилия распределяются по множеству направлений. В результате деталь из соответствующего материала остается неповрежденной и сохраняет функциональные характеристики.
У нас есть искусственные материалы, отдаленно напоминающие структуры Булигана - это фанера, в которой слои уложены перпендикулярно друг другу. Если каждый раз укладывать их с некоторым угловым смещением - это и будет модель структур Булигана. В живом мире много аналогов, особенно у насекомых, чьи хитиновые покровы и органы должны быть чрезвычайно прочными.
Древесина привлекает ученых на протяжении десятилетий своей дешевизной - огромное количество отходов остается в бумажной промышленности и при деревообработке. В результате многочисленных опытов с ней несколько лет назад были получены интересные результаты. После промывки целлюлозы кислотой для удаления из нее лигнина и аморфных фракций, остается раствор, который при высушивании формирует новый материал со структурами Булигана. Ключевым компонентом этого материала стали крошечные кристаллические стержни из целлюлозы, названные нанокристаллами целлюлозы или наноцеллюлозой. Однако сам по себе материал из целлюлозы получался очень хрупким.
Команда NIST предположила, что объединение коротких древесных наноцеллюлозных стержней с другим природным материалом с более длинными волокнами может привести к получению нового перспективного материала, прочного, но в тоже время гибкого.
Одним из вариантов второго компонента стали высушенные части морского шприца (Styela clava), который заполоняет сейчас мировой океан и считается вредителем. Хотя в некоторых странах его с удовольствием едят.
Во многих регионах Азии эти коричневые водные существа считаются деликатесом и их употрябляют с острым соусом. Они распространились из ареала своего естественного обитания по всему мировому океану и стали угрозой местным видам. Популяции морского шприца стремительно увеличиваются, вытесняя другие, к тому же они мешают человеку - заселяют днища кораблей, забивают орудия лова и гребные винты. Поедая планктон, они не оставляют его тем, кто питался им раньше. В благоприятных условиях их может нарастать до 1500 особей на квадратный метр!
Найти способ утилизировать эти шприцы, да еще и с пользой для человечества, было бы весьма полезным изобретением. Примерно как у устриц, азиаты едят внутренности Styela clava, а внешние покровы выкидывают. Таким образом, второй компонент композитного материала тоже является отходом.
Что особенно заинтересовало исследователей NIST, внутренняя структура покровов содержала очень длинные нанокристаллы. Для них это было просто грандиозной находкой.
Испытав разные концентрации смешиваемых составных частей, ученым удалось определить точную пропорцию наибольшей прочности. Это примерно 30 процентов Styela clava и 70 процентов древесной массы. Полученный композит становится в 15-20 раз более жестким, чем состоящие просто из целлюлозы. Дальнейшее увеличение концентрации не приводило к значимым улучшениям характеристик.
Морские шприцы весьма распространены, но их переработка сравнительно дорога, и если ученые найдут способ ее удешевить, то откроются большие перспективы для применения нового материала.
Добавление оболочек Styela clava также изменило процесс скручивания наноцеллюлозы, новый образец стал более плотным, что придало ему эффект отражения ультрафиолета. Это новое свойство может позволить использовать новый материал как защитное покрытие, ведь многие вещества боятся солнечного света.
В ближайшие годы команда NIST намерена продолжать эксперименты с новым композитным материалом, улучшать технологию его производства и характеристики, искать области коммерческого применения.
