Κατά τη διάρκεια του Δεύτερου Παγκοσμίου Πολέμου, το Βρετανικό Βασιλικό Ναυτικό είχε πειραματιστεί με την ιδέα να χρησιμοποιήσει πάγο ενισχυμένο με πολτό ξύλου για την κατασκευή αεροπλανοφόρου.
Το σύνθετο υλικό, γνωστό ως Pykrete, φαινόταν να είναι τόσο ισχυρό όσο το σκυρόδεμα, αρκεί να παρέμενε παγωμένο.
Το πλοίο θα λειτουργούσε ουσιαστικά σαν ένα πλωτό, ειδικά κατασκευασμένο και ενισχυμένο παγόβουνο, από το οποίο θα απογειώνονταν και θα προσγειώνονταν αεροπλάνα. Με το αυξανόμενο κόστος και την εμφάνιση καλύτερων επιλογών, το σχέδιο εγκαταλείφθηκε τελικά.
Σήμερα, ερευνητές με επικεφαλής ομάδα από το Hebrew University of Jerusalem στο Ισραήλ προχώρησαν την ιδέα της δεκαετίας του 1940 και δημιούργησαν αυτό που αποκαλούν BioPykrete.
Προσθέτοντας κρυστάλλους φυτικής προέλευσης και μια ειδικά σχεδιασμένη πρωτεΐνη στον πάγο, δημιούργησαν ένα υλικό που είναι 10 φορές ισχυρότερο από τον κανονικό πάγο και μπορεί να απορροφήσει 70 φορές περισσότερη ενέργεια πριν σπάσει.
Η μελέτη για το νέο υλικό δημοσιεύτηκε στο Colloids and Surfaces B: Biointerfaces και η ομάδα που το ανέπτυξε ελπίζει ότι κάποια μέρα θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί ως δομικό υλικό.
«Θέλαμε να πάμε πέρα από την απλή ανάμειξη ινών με πάγο και, αντί γι’ αυτό, να ελέγξουμε πώς συνδέονται τα διαφορετικά υλικά σε μοριακό επίπεδο», λέει ο βιοχημικός Ido Braslavsky από το Hebrew University of Jerusalem.
«Το αποτέλεσμα αλλάζει όχι μόνο το πόσο ισχυρός είναι ο πάγος, αλλά και τον τρόπο που σπάει. Αντί να θρυμματίζεται ξαφνικά, μπορεί να απορροφά πολύ περισσότερη ενέργεια και να παραμορφώνεται σταδιακά».
Η προοπτική χρήσης δεν αφορά αυτή τη φορά αεροπλανοφόρα, αλλά κατασκευαστικά έργα σε απομακρυσμένες, ψυχρές περιοχές όπου οι συμβατικές μέθοδοι δόμησης δεν εφαρμόζονται εύκολα, όπως στην Αρκτική και την Ανταρκτική.
Χωρίς ανάγκη για σκυρόδεμα ή χάλυβα και με βασικά συστατικά τον πάγο και την κυτταρίνη φυτικής προέλευσης, το υλικό αυτό θα μπορούσε να έχει χαμηλό αποτύπωμα άνθρακα και να είναι επίσης βιοδιασπώμενο.
«Αν και ο κατασκευαστικός κλάδος αποτελεί θεμέλιο της παγκόσμιας οικονομίας, παραμένει ένας από τους σημαντικότερους ρυπαντές του περιβάλλοντος, με σημαντικές εκπομπές άνθρακα και τεράστια εξάντληση πόρων», γράφουν οι ερευνητές στην εργασία τους.
«Η βιοτεχνολογία προσφέρει μια μετασχηματιστική διαδρομή για τον μετριασμό αυτής της επίδρασης, μέσω της ανάπτυξης νέων, βιώσιμων βιοϋλικών».
Ωστόσο, θα χρειαστεί αρκετός χρόνος μέχρι το BioPykrete να μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως δομικό υλικό. Η συγκεκριμένη μελέτη ήταν μια μικρής κλίμακας δοκιμή απόδειξης της ιδέας και θα απαιτηθεί περαιτέρω έρευνα για να φανεί πώς αντέχει σε βάθος χρόνου και υπό μεταβαλλόμενες συνθήκες.
Αντί για τις μεγαλύτερες και πιο ακανόνιστες ίνες του πολτού ξύλου, οι ερευνητές χρησιμοποίησαν εδώ νανοκρυστάλλους κυτταρίνης.
Η κυτταρίνη είναι το βασικό δομικό υλικό των φυτών και, σε μορφή νανοκρυστάλλων, μπορεί να λειτουργήσει ως μικροσκοπικός ενισχυτικός παράγοντας για άλλα υλικά, ακόμη και για τον πάγο, εμποδίζοντας ουσιαστικά την εύκολη διάδοση των ρωγμών.
Η πρωτεΐνη που χρησιμοποιήθηκε ονομάζεται CBM3a-AFPIII και αποτελεί συνδυασμό μιας αντιπαγετικής πρωτεΐνης (AFP) και μιας μονάδας δέσμευσης υδατανθράκων (CBM). Ο ρόλος της ήταν να λειτουργεί σαν κόλλα, κρατώντας ενωμένους τους νανοκρυστάλλους κυτταρίνης και τον πάγο.
Η προσέγγιση είναι έξυπνη και οι ερευνητές θεωρούν ότι, αν τροποποιήσουν τα συστατικά και τις μεθόδους τους, ίσως μπορέσουν να βελτιώσουν ακόμη περισσότερο το «υπερ-παγωμένο» υλικό τους.
«Η βελτιστοποίηση της κινητικής στερεοποίησης και των πρωτοκόλλων κατάψυξης, σε συνδυασμό με την ανάπτυξη διαφορετικών παραλλαγών AFP-CBM, θα μπορούσε να δώσει ακόμη ισχυρότερα σύνθετα υλικά», γράφουν οι ερευνητές.
Πέρα από τις επιπλέον δοκιμές ανθεκτικότητας, οι ερευνητές θέλουν επίσης να εξετάσουν πιο προσεκτικά τον τρόπο με τον οποίο οι ρωγμές διαδίδονται μέσα στο BioPykrete, ώστε να επιβεβαιώσουν ότι οι μηχανισμοί ενίσχυσης που υποθέτουν είναι πράγματι αυτοί που λειτουργούν.
Σε βάθος χρόνου, αυτή η προσέγγιση θα μπορούσε να ανοίξει νέο πεδίο για υλικά που χρησιμοποιούνται σε συσκευασίες, κατασκευές και άλλες εφαρμογές, μέσα από τη χρήση μιας προσαρμοσμένης πρωτεΐνης που ενώνει δύο απίθανα συστατικά, τον πάγο και την κυτταρίνη.
«Γεφυρώνοντας το χάσμα ανάμεσα στον σχεδιασμό ανασυνδυασμένων πρωτεϊνών και τη δομική μηχανική, αναπτύξαμε ένα υλικό υψηλών επιδόσεων, ειδικά σχεδιασμένο για τις απαιτήσεις των πιο ακραίων περιβαλλόντων του κόσμου», γράφουν οι ερευνητές.
Η έρευνα δημοσιεύτηκε στο Colloids and Surfaces B: Biointerfaces.
Το παρόν κείμενο δημιουργήθηκε με τη χρήση τεχνητής νοημοσύνης.
