Костная ткань совершенствовалась эволюцией миллионы лет. Кости скелета представляют практически идеальный баланс жесткости и плотности. Однако наноматериалы могут превзойти лучшие природные аналоги.
Тверже кости: Важность дырок
Изображение пористой кубической наноструктуры (слева) и модель кристаллического кварца (темные, менее 2 нм в толщину области на левой фигуре). Выдвинутые на первый план структуры представляют собой маленькие кольца кварца, упомянутые в тексте

Кварцевые наноструктуры — синтетические аналоги пористых структур кости, воспроизведенные на наноуровне с использованием структуры кварца. Это позволяет улучшить рабочие характеристики там, где важно увеличение объема пор — например, в мембранных барьерах, молекулярных датчиках и изоляторах с низкой диэлектрической постоянной, которые необходимы для будущего поколения микроэлектроники.

Роджер Ассинк (Roger Assink) с коллегами показали, что при увеличении пористости кварцевой пленки стенки пор в ней становятся тоньше 2 нм, и структура его перестраивается, становясь более плотной и жесткой. Если жесткость кости в среднем уменьшается пропорционально квадрату ее плотности, новые материалы демонстрируют другую зависимость. Их жесткость менее чувствительна к увеличению пористости и снижается только как ее квадратный корень.

«Кость, строго говоря, является структурированным пористым материалом, — говорит один из участников исследования. — Используя самосборку, мы создали разнообразные наноматериалы с различной структурой пор (изгибающиеся цилиндры, шестиугольники, кубы). Так что нам было интересно, будет ли отношение жесткости к плотности в этих наноматериалах аналогична уже известным оптимизированным материалам (таким как кости). В итоге мы обнаружили, что важны и структура материала, и размер пор. Эксперименты показывают, что кубическая структура пор придает больше жесткости, чем шестиугольная, которая, в свою очередь, жестче структуры с порами в форме изгибающихся цилиндров. Для всех из них увеличение пористости приводит к уменьшению жесткости, однако это изменение меньше, чем у природных материалов, так как формирование жестких кварцевых колец приводит к дополнительному упрочнению тонких стенок материалов».

Читайте также о том, как, скомбинировав гены, ответственные за синтез паутины у пауков и формирование кварцевых раковин у водорослей, ученые внедрили их в бактерии и получили сверхпрочную ткань: «Стеклянная паутина».

«Нанометр»