Обычный лёд хрупок: под нагрузкой в нём появляются трещины, которые быстро распространяются, пока материал не расколется. Однако исследователи из Еврейского университета в Иерусалиме разработали новый композит на основе замороженной воды, который оказался в десять раз прочнее обычного льда при сжатии и способен поглощать примерно в 70 раз больше энергии перед разрушением. Материал получил название BioPykrete и в перспективе может найти применение в строительстве в Арктике и Антарктике.
Как устроен сверхпрочный лёд BioPykrete
Секрет нового материала заключается в сочетании трёх компонентов: воды, мельчайших кристаллов целлюлозы растительного происхождения и специально разработанного белка.
Целлюлозные нанокристаллы формируют при замерзании воды трёхмерную сеть, окружающую микроскопические участки льда. Белок CBM3a-AFPIII выполняет роль своеобразного молекулярного клея: одна его часть связывается со льдом, а другая — с целлюлозой. Благодаря этому компоненты соединяются в единую структуру.
Такое устройство помогает контролировать распространение трещин. В обычном льду повреждение может быстро увеличиваться, приводя к внезапному разрушению. BioPykrete, напротив, способен постепенно деформироваться и поглощать больше энергии, прежде чем окончательно потеряет целостность.
«Мы хотели пойти дальше простого добавления волокон во лёд и научиться управлять тем, как разные материалы соединяются на молекулярном уровне», — объяснил профессор Идо Браславский (Ido Braslavsky), один из руководителей исследования.
Эксперименты показали, что добавление специального белка удваивает прочность материала при сжатии и его способность поглощать энергию по сравнению с аналогичной смесью льда и целлюлозы без белка. Иными словами, важны не только сами добавки, но и то, насколько эффективно они связаны между собой.
Почему этот лёд сравнивают с бетоном
Главное достижение исследователей — сочетание высокой прочности и устойчивости к разрушению. По данным публикации TechSpot, BioPykrete выдерживает при сжатии нагрузку, при которой обычный лёд разрушается значительно раньше, а по этому показателю приближается к бетону.
При этом сравнение не означает, что новый материал уже способен заменить бетон во всех строительных конструкциях. Прочность при сжатии — лишь одна из характеристик, определяющих пригодность материала для строительства. Не менее важны устойчивость к длительным нагрузкам, температурным колебаниям, износу и другим воздействиям окружающей среды.
Тем не менее способность поглощать энергию и сопротивляться быстрому распространению трещин делает BioPykrete интересным объектом для дальнейших исследований.
Идея, которой больше 80 лет
У концепции укреплённого льда есть исторический предшественник. Во время Второй мировой войны в Великобритании рассматривали возможность строительства огромного авианосца из пайкрита (Pykrete) — смеси льда и древесной целлюлозы.
Предполагалось, что армирование льда волокнами позволит получить материал, более устойчивый к повреждениям, чем обычная замёрзшая вода. Однако проект так и не был реализован.
Современный BioPykrete развивает ту же общую идею, но использует более тонкий подход: вместо одного лишь механического армирования исследователи управляют взаимодействием компонентов на молекулярном уровне. Специальный белок помогает объединить целлюлозу и лёд в более эффективную структуру.
Где может пригодиться BioPykrete
Одно из наиболее перспективных направлений — строительство в полярных регионах. Доставка бетона, стали и других строительных материалов в Арктику и Антарктику обходится дорого и сопряжена с серьёзными логистическими трудностями.
Материал, основными компонентами которого служат вода и растительная целлюлоза, потенциально может стать альтернативой некоторым традиционным строительным решениям. Кроме того, он может оказаться биоразлагаемым и иметь меньший углеродный след — хотя эти преимущества ещё предстоит подтвердить экспериментально.
Однако до практического применения далеко. Пока BioPykrete остаётся экспериментальной разработкой, подтверждающей принципиальную возможность создания более прочного льда. Исследователям необходимо проверить его долговечность, устойчивость к многократным циклам замерзания и оттаивания, а также способность сохранять форму под продолжительной нагрузкой. Последнее особенно важно: некоторые материалы медленно деформируются даже тогда, когда нагрузка остаётся неизменной.
Необходимо также провести оценку полного жизненного цикла материала, чтобы понять, действительно ли его производство и использование обеспечивают экологические преимущества.
Таким образом, BioPykrete пока нельзя считать готовым строительным материалом. Но исследование показывает, что даже лёд — привычное и на первый взгляд хорошо изученное вещество — можно существенно усовершенствовать, если управлять не только его составом, но и связями между компонентами.
