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Jul 05, 2023

Wissenschaftler entwickeln neues Material, das fünfmal leichter und viermal stärker ist als Stahl

Von University of Connecticut, 31. Juli 2023 Forscher der University of Connecticut und Kollegen haben ein äußerst haltbares, leichtes Material geschaffen, indem sie DNA strukturiert und anschließend beschichtet haben

Von der University of Connecticut, 31. Juli 2023

Forscher der University of Connecticut und Kollegen haben ein äußerst haltbares, leichtes Material geschaffen, indem sie DNA strukturiert und anschließend mit Glas beschichtet haben. Das resultierende Produkt, das sich durch seine Nanogitterstruktur auszeichnet, weist eine einzigartige Kombination aus Festigkeit und geringer Dichte auf, was es möglicherweise für Anwendungen wie den Fahrzeugbau und Körperpanzerungen nützlich macht. (Konzept des Künstlers.)

Materials possessing both strength and lightness have the potential to enhance everything from automobiles to body armor. But usually, the two qualities are mutually exclusive. However, researchers at the University of Connecticut, along with their collaborators, have now crafted an incredibly strong yet lightweight material. Surprisingly, they achieved this using two unexpected building blocks: DNADNA, or deoxyribonucleic acid, is a molecule composed of two long strands of nucleotides that coil around each other to form a double helix. It is the hereditary material in humans and almost all other organisms that carries genetic instructions for development, functioning, growth, and reproduction. Nearly every cell in a person’s body has the same DNA. Most DNA is located in the cell nucleus (where it is called nuclear DNA), but a small amount of DNA can also be found in the mitochondria (where it is called mitochondrial DNA or mtDNA)." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">DNA und Glas.

“For the given density, our material is the strongest known,” says Seok-Woo Lee, a materials scientist at UConn. Lee and colleagues from UConn, Columbia University, and Brookhaven National Lab report the details on July 19 in Cell Reports<em>Cell Reports</em> is a peer-reviewed scientific journal that published research papers that report new biological insight across a broad range of disciplines within the life sciences. Established in 2012, it is the first open access journal published by Cell Press, an imprint of Elsevier." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">Zellberichte Physikalische Wissenschaft.

Stärke ist relativ. Eisen kann beispielsweise einem Druck von 7 Tonnen pro Quadratzentimeter standhalten. Mit einem Gewicht von 7,8 Gramm pro Kubikzentimeter ist es aber auch sehr dicht und schwer. Andere Metalle wie Titan sind fester und leichter als Eisen. Und bestimmte Legierungen, die mehrere Elemente kombinieren, sind sogar noch stärker. Starke, leichte Materialien ermöglichten leichte Körperpanzerungen, bessere medizinische Geräte und machten sicherere und schnellere Autos und Flugzeuge.

Materialwissenschaftler von UConn und Brookhaven National Laboratory haben ein außergewöhnlich starkes, leichtes Material aus DNA und Glas hergestellt. Die Bilderserie oben (A) zeigt, wie das Skelett der Struktur aus DNA zusammengesetzt und dann mit Glas beschichtet wird. (B) zeigt ein Transmissionselektronenmikroskopbild des Materials und (C) zeigt ein Rasterelektronenmikroskopbild davon, wobei die beiden rechten Felder auf Merkmale in unterschiedlichen Maßstäben vergrößert sind. Bildnachweis: University of Connecticut

Der einfachste Weg, beispielsweise die Reichweite eines Elektrofahrzeugs zu erhöhen, besteht nicht darin, die Batterie zu vergrößern, sondern das Fahrzeug selbst leichter zu machen, ohne Einbußen bei Sicherheit und Lebensdauer hinnehmen zu müssen. Aber traditionelle metallurgische Techniken sind in den letzten Jahren an ihre Grenzen gestoßen, und Materialwissenschaftler mussten noch kreativer werden, um neue leichte, hochfeste Materialien zu entwickeln.

Jetzt berichten Lee und Kollegen, dass sie durch den Aufbau einer Struktur aus DNA und deren anschließende Beschichtung mit Glas ein sehr starkes Material mit sehr geringer Dichte geschaffen haben. Glas scheint eine überraschende Wahl zu sein, da es leicht zerbricht. Allerdings zerbricht Glas normalerweise aufgrund eines Fehlers – etwa eines Risses, eines Kratzers oder fehlender Atome – in seiner Struktur. Ein makelloser Kubikzentimeter Glas kann einem Druck von 10 Tonnen standhalten, mehr als dem Dreifachen des Drucks, der letzten Monat das Tauchboot Oceangate Titan in der Nähe der Titanic implodieren ließ.

Es ist sehr schwierig, ein großes Stück Glas ohne Fehler herzustellen. Aber die Forscher wussten, wie man sehr kleine, makellose Stücke herstellt. Solange das Glas weniger als einen Mikrometer dick ist, ist es fast immer makellos. Und da die Dichte von Glas viel geringer ist als die von Metallen und Keramik, sollten alle Strukturen aus makellosem Nanoglas stark und leicht sein.

Das Team schuf eine Struktur selbstorganisierender DNA. Fast wie bei Magnatiles fügten sich DNA-Stücke bestimmter Länge und Chemie zu einem Skelett des Materials zusammen. Stellen Sie sich den Rahmen eines Hauses oder Gebäudes vor, aber aus DNA.

Oleg Gang and Aaron Mickelson, nanomaterials scientists at Columbia UniversityColumbia University is a private Ivy League research university in New York City that was established in 1754. This makes it the oldest institution of higher education in New York and the fifth-oldest in the United States. It is often just referred to as Columbia, but its official name is Columbia University in the City of New York." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]"> Das Center for Functional Nanomaterials der Columbia University und Brookhaven überzog die DNA dann mit einer sehr dünnen Schicht aus glasartigem Material, die nur wenige hundert Atome dick war. Das Glas bedeckte die DNA-Stränge gerade noch und hinterließ einen großen Teil des Materialvolumens als leeren Raum, ähnlich wie die Räume in einem Haus oder Gebäude.

Das DNA-Skelett verstärkte die dünne, makellose Glasschicht, wodurch das Material sehr stark wurde, und die Hohlräume, die den größten Teil des Materialvolumens ausmachten, machten es leicht. Dadurch weisen Glas-Nanogitterstrukturen eine viermal höhere Festigkeit, aber eine fünfmal geringere Dichte als Stahl auf. Diese ungewöhnliche Kombination aus geringem Gewicht und hoher Festigkeit wurde noch nie zuvor erreicht.

„Die Möglichkeit, mithilfe von DNA entworfene 3D-Gerüst-Nanomaterialien herzustellen und diese zu mineralisieren, eröffnet enorme Möglichkeiten für die Entwicklung mechanischer Eigenschaften. Bis wir es als Technologie einsetzen können, ist aber noch viel Forschungsarbeit nötig“, sagt Gang.

Das Team arbeitet derzeit mit der gleichen DNA-Struktur, ersetzt jedoch Glas durch noch stärkere Karbidkeramik. Sie planen, mit verschiedenen DNA-Strukturen zu experimentieren, um herauszufinden, welches Material das stärkste macht. Zukünftige Materialien, die auf demselben Konzept basieren, sind als energiesparende Materialien für Fahrzeuge und andere Geräte, bei denen Festigkeit im Vordergrund steht, vielversprechend. Lee glaubt, dass die DNA-Origami-Nanoarchitektur einen neuen Weg zur Herstellung leichterer und stärkerer Materialien eröffnen wird, die wir uns noch nie zuvor vorgestellt haben.

„Ich bin ein großer Fan von Iron Man-Filmen und habe mich immer gefragt, wie man eine bessere Rüstung für Iron Man herstellen kann. Es muss sehr leicht sein, damit er schneller fliegen kann. Es muss sehr stark sein, um ihn vor feindlichen Angriffen zu schützen. Unser neues Material ist fünfmal leichter, aber viermal stärker als Stahl. Unsere Glas-Nanogitter wären also viel besser als alle anderen Strukturmaterialien, um eine verbesserte Rüstung für Iron Man zu schaffen.“

Referenz: „High-strength, Lightweight Nano-Architected Silica“ von Aaron Michelson, Tyler J. Flanagan, Seok-Woo Lee und Oleg Gang, 27. Juni 2023, Cell Reports Physical Science.DOI: 10.1016/j.xcrp.2023.101475