Американские специалисты разработали новый класс малых молекул, которые спонтанно собираются в наноленты, обладающие беспрецедентной прочностью и сохраняющие структуру вне водной среды. Уникальные свойства и возможности производства открывают многочисленные пути применения этого материала — от очистки жидкостей до питания электроники.
Феномен самосборки хорошо знаком всем живым организмам — так формируются двойные спирали ДНК или мембраны клеток. В последние пару десятков лет ученые пытались повторить этот трюк природы, разрабатывая молекулы, собирающиеся сами собой, в основном для биомедицинских целей. Однако этот наноматериал был химически нестабильным и быстро распадался вне водной среды, особенно под действием внешней силы, пишет MIT News.
Материал, разработанный инженерами MIT, был вдохновлен клеточной мембраной. Его внешняя часть гидрофильная, а внешняя — гидрофобная. Такая структура становится движущей силой самосборки, поскольку молекулы занимают такое положение в пространстве, чтобы минимизировать взаимодействия между гидрофобными зонами и водой.
Поскольку в данном случае форма материала задана водой, при высыхании вся структура должна разрушиться. Но ученые придумали, как этого не допустить. Когда молекулы соединены друг с другом слабо, они быстро вращаются, как жидкости. В процессе нарастания твердости межмолекулярные силы увеличиваются и движение замедляется. Путем небольших модификаций отдельных молекул можно замедлить движение молекул, что приводит к коллективному и значительному изменению свойств наноструктуры.
В итоге молекулы самособираются в длинные ленты толщиной в нанометр, но при этом они оказываются прочнее стали. После высыхания они способны выдерживать массу, в 200 раз превышающую их собственную. Кроме того, у материала громадная площадь поверхности — 200 кв. метров на один грамм.
Высокий коэффициент поверхности к массе открывает большие возможности для технологий миниатюризации, уверены изобретатели, например, в очистке воды от тяжелых металлов и примесей. Вдобавок, прочные наноленты могут стать элементами передовых электронных устройств и батарей.
Ученые из Калифорнии добились большого успеха в создании материала с рекордной удельной прочностью, которая превосходит прочность алмаза. Наиболее вероятное применение нового материала — чрезвычайно прочного и в тоже время легкого — авиакосмическая отрасль.