Создан суперлёд: в 10 раз прочнее обычного — почти как бетон

Учёные из Еврейского университета в Иерусалиме добавили в лёд нанокристаллы целлюлозы и специально созданный белок. Новый материал BioPykrete при сжатии выдерживает в 10 раз большую нагрузку, чем обычный лёд, и по этому показателю не уступает обычному бетону. Пока это лабораторный прототип. Строить из него рано: авторы ещё не проверили, как материал ведёт себя годами. Но идея понятна уже сейчас. В Арктике и Антарктиде бетон и сталь приходится везти издалека, а воды и холода там сколько угодно.

Микроскопическая структура суперльда с воздушными пузырьками

Пайкрит: армированный лёд времён Второй мировой

Лёд укрепляли и раньше. Во время Второй мировой войны экспериментировали с пайкритом, смесью льда и древесной массы. Она была прочнее обычного льда и таяла медленнее. В британском проекте Habakkuk из пайкрита даже собирались построить огромный авианосец, но дальше испытаний дело не пошло.

У обычного льда есть главный недостаток: он хрупкий. Стоит появиться крошечной трещине, и она быстро проходит через весь кусок. Поэтому ледяная глыба держит нагрузку, а потом вдруг раскалывается. Древесные волокна в пайкрите мешали трещинам расти. Израильская команда решила пойти дальше и заняться тем, как лёд соединяется с наполнителем на уровне отдельных молекул.

Учёный в лаборатории держит ледяной образец у испытательной машины

Нанокристаллы целлюлозы и белок-«клей» для двух материалов

Наполнителем стали нанокристаллы целлюлозы. Это очень мелкие и жёсткие частицы из того же вещества, которое придаёт прочность стеблям и стволам растений. Когда смесь замерзает, частицы складываются в объёмную сетку, а внутри её ячеек оказываются микроскопические участки льда.

Одной сетки мало: если лёд и целлюлоза плохо сцеплены, трещина пройдёт по границе между ними. Поэтому исследователи сконструировали химерный белок, то есть искусственно сшитый из двух природных. Первая часть, антифризный белок AFPIII, прикрепляется ко льду. Вторая, модуль CBM3a, связывается с целлюлозой. В итоге белок работает как двусторонний скотч и связывает оба материала в единую конструкцию.

«Мы хотели не просто подмешать волокна в лёд, а управлять тем, как разные материалы соединяются на молекулярном уровне», — объясняет руководитель работы профессор Идо Браславский.

Трещина упирается в целлюлозную сетку

В испытаниях измеряли две разные характеристики. Прочность на сжатие показывает, какую нагрузку материал выдерживает, пока его давят. Здесь BioPykrete оказался примерно в 10 раз прочнее чистого льда. Вторая характеристика — сколько энергии материал поглощает, прежде чем разрушиться. Тут прирост ещё больше: примерно в 70 раз.

Вторая цифра показывает, что изменился сам характер разрушения. Стекло тоже может быть прочным, но ломается сразу и целиком. Новый лёд под нагрузкой деформируется постепенно. По словам Браславского, изменилась не только прочность, но и то, как материал разрушается.

Экспериментальные установки для подготовки образцов и испытаний на сжатие. (а) Изолированная камера для направленного замораживания. (b) Образец диаметром 2 см и высотой 1 см, готовый к испытаниям на сжатие. (c) Прибор INSTRON, использовавшийся для испытаний на сжатие. (d) Изолированная камера, использовавшаяся для испытаний на сжатие при низких температурах. (e) Испытание на сжатие: (e.I) начало испытания, (e.II) во время сжатия, (e.III) в конце испытания.

Механизм авторы описывают так. Растущая трещина натыкается на целлюлозную сетку, а белок крепко привязывает эту сетку ко льду. Чтобы порвать или сдвинуть такую преграду, нужно больше энергии, поэтому трещина останавливается или уходит в сторону и остаётся маленькой. Роль белка видна по цифрам: в опытах с ним прочность и поглощённая энергия выросли вдвое по сравнению с такой же смесью льда и целлюлозы, но без белка.

Материал для полярных станций

Авторы видят BioPykrete прежде всего строительным материалом для полярных станций в Арктике и Антарктике. Там доставка бетона, стали и других материалов стоит дорого и сама по себе сложна. Лёд же можно заготовить на месте.

Состав у нового материала почти целиком природный: вода и растительная целлюлоза. Поэтому исследователи рассчитывают, что для отдельных сооружений в сильный мороз он сможет стать биоразлагаемой заменой привычным материалам с меньшим углеродным следом. Слова «сможет» и «для отдельных» здесь важны: речь о возможном будущем применении, а не о готовой технологии.

Проверки, которые BioPykrete ещё не прошёл

Научная станция на льду в полярном регионе

Сами авторы называют работу доказательством концепции: принцип работает в лаборатории, но до реальных построек далеко. Первую версию статьи выложили на сервере препринтов arXiv ещё в июле 2025 года, теперь работа вышла в научном журнале. Чтобы говорить о строительстве, материалу нужно пройти несколько испытаний:

• на долговечность: как он поведёт себя за месяцы и годы службы;
• на повторное замерзание и оттаивание: выдержит ли он смену сезонов;
• на ползучесть, то есть медленное изменение формы под постоянной нагрузкой, которой лёд особенно подвержен;
• на полный жизненный цикл: насколько на деле экологичны производство и утилизация.

Еще больше познавательных статей вы найдете в нашем канале в MAX. Подпишитесь прямо сейчас!

Ещё одно важное ограничение: сравнение с бетоном касается только прочности на сжатие. Про растяжение, изгиб и поведение при оттепели в исследовании ничего не сказано, а если материал подтает, от его прочности мало что останется. Дальше команда собирается подробнее изучить, как трещины проходят через BioPykrete, и попробовать другие белки и способы заморозки. Возможно, это сделает материал ещё прочнее.

Кроме строительства, у работы есть и более общий результат. Белки, которые одной частью цепляются за один материал, а другой за второй, можно собирать под конкретную задачу. Если подход подтвердится, так можно будет настраивать свойства и других композитов, не только ледяных.