Материал из ДНК и стекла: в 4 раза прочнее и в 5 раз легче стали

Стекло привычно ассоциируется с хрупкостью: оно бьётся от малейшего неосторожного движения. Но в чистом, наноразмерном виде стекло способно выдерживать давление, которое раздавило бы куда более тяжёлые материалы. На этом свойстве учёные и построили новый супрематериал, который в разы прочнее стали и при этом намного легче. Причём необычное сочетание малого веса и высокой прочности встречается и у других разработок — существует даже пластик, который прочнее стали.

Как ДНК и стекло создали материал прочнее стали

Почему обычное стекло хрупкое, а наностекло — нет

Работу выполнили исследователи из Университета Коннектикута, Колумбийского университета и Брукхейвенской национальной лаборатории. Полученный материал в 5 раз легче и в 4 раза прочнее стали, что делает его «самым прочным известным» для своей плотности.

Самое странное здесь в том, что материал сделан именно из стекла — того самого, что разлетается на осколки. Учёные и раньше получали стекло прочностью на уровне стали, но здесь секрет именно в масштабе и чистоте. Стекло легко ломается в большинстве случаев из-за дефектов в структуре — трещин или недостающих атомов. Но если убрать эти изъяны, всё меняется.

В самой чистой и безупречной форме крошечный кусочек стекла способен выдерживать давление, которое раскрошило бы даже некоторые из самых прочных и тяжёлых материалов. Проблема лишь в том, что изготавливать большие безупречные куски стекла крайне сложно, поэтому как конструкционный материал оно показывает свои лучшие свойства при толщине меньше микрометра.

Серия изображений: (A) показывает, как каркас структуры собирается из ДНК, а затем покрывается стеклом. (B) изображение материала, полученное с помощью просвечивающего электронного микроскопа. (C) изображение, полученное с помощью сканирующего электронного микроскопа. На двух правых панелях увеличены элементы разных масштабов.

Именно поэтому речь идёт о наноструктурах, а не о цельных пластинах. Стекло легче многих металлов и керамики, поэтому конструкции из такого чистейшего наностекла получаются одновременно прочными и очень лёгкими. Прочность стали при весе, который меньше в разы, — редкое сочетание, при котором прочность и лёгкость больше не противоречат друг другу.

Зачем здесь понадобилась ДНК: роль в создании материала

Необычнее всего то, как учёные придали стеклу нужную форму. Чтобы собрать чистые частицы стекла в трёхмерный каркас, исследователи использовали ДНК в роли строительных лесов. Представьте каркас дома, но вместо дерева или стали он целиком собран из молекул ДНК.

Эта самособирающаяся ДНК-структура работает как скелет, на который учёные аккуратно нанесли стеклянное покрытие. В итоге получается материал одновременно прочный и лёгкий, с сочетанием прочности и плотности, которое раньше считалось невозможным. ДНК умеет складываться в заданные формы сама по себе — это и делает её удобным конструктором на уровне отдельных нанометров.

Будь в курсе новых событий по максимуму — подписывайся на наш канал в Max!

При испытаниях ДНК была лишь временной опорой. Исследователи термически обработали готовые нанорешётки, укрепив кремнезём и удалив ДНК. Осталась крайне лёгкая полая стеклянная архитектура, стенки которой имели толщину всего в несколько нанометров.

Сам принцип далеко не новый: технология ДНК-оригами позволяет собирать из молекул очень сложные формы. С её помощью учёные даже сделали картину Ван Гога из ДНК.

При чём тут Железный человек

Вдохновение у проекта, как ни странно, оказалось киношное. Оле Ган, специалист по наноматериалам из Колумбийского университета, признался, что он большой фанат фильмов о Железном человеке и всегда думал, как создать для него лучшую броню.

Требования понятны: броня должна быть очень лёгкой, чтобы герой летал быстрее, и очень прочной, чтобы защищать от ударов противника. По словам Гана, стеклянные нанорешётки подошли бы для улучшенной брони лучше любых других конструкционных материалов. Но пока до реального доспеха здесь ещё далеко, хотя некоторые технологии из костюма «Железного человека» существуют уже сейчас.

Идея материала выросла из вопроса, каким должен быть идеальный доспех

Что появилось после первого эксперимента

Исходное исследование вышло в 2023 году, и с тех пор разные команды начали проверять, как далеко можно зайти с этим необычным методом сборки. Дальше работа пошла сразу в нескольких направлениях.

Одно из них — оставить ДНК внутри конструкции. В 2024 году другая команда построила похожие ДНК-кремниевые нанорешётки, но систематически меняла их геометрию и толщину стеклянного покрытия, а ДНК оставляла внутри готовых структур. Это заметно повлияло на прочность. Моделирование показало, что ядро из ДНК подавляло крупномасштабное сминание, из-за которого тонкие стенки решётки могут разрушаться, откладывая поломку и помогая структурам выдерживать гораздо большие деформации.

Второе направление — расширить список материалов. В другом исследовании 2024 года Ган с коллегами показали, что ДНК-каркасы можно превращать в структуры с металлами, оксидами металлов и полупроводниками. Они продемонстрировали материалы с цинком, алюминием, медью, молибденом, вольфрамом, индием, оловом и платиной, а также соединениями вроде оксида индия-олова. Так исследователи показали, что ДНК может служить универсальной системой сборки для точно заданных неорганических материалов с механическими, электронными и оптическими свойствами.

Подобные эксперименты проводились и раньше: ДНК уже использовали как основу для нанопроводников с золотым покрытием, из которых можно собирать электронные схемы.

Почему это пока не станет бронёй или деталями самолёта

Главное ограничение исследования — масштаб. Одно дело собрать выдающуюся структуру размером в несколько микрометров, и совсем другое — деталь для машины или самолёта. ДНК-оригами позволяет очень точно управлять формой на наноуровне, но стоимость, масштаб производства и совместимость с обычными методами изготовления остаются серьёзными препятствиями. С похожей проблемой сталкиваются и другие наноматериалы: даже «металлическую древесину» прочностью титана сложно масштабировать до полезных размеров.

Но масштаб постепенно растёт. В 2025 году команда Гана показала способ выращивать трёхмерные ДНК-решётки выборочно на кремниевых пластинах и поверхностях из оксидов металлов. Они получили структуры с элементами шириной в десятки микрометров на узорчатых участках площадью около 10 квадратных миллиметров, причём метод работал на оксиде кремния, а также на оксиде алюминия, диоксиде титана и оксиде цинка.

Выращивание ДНК-решёток на кремниевой пластине — шаг к более крупным поверхностям

Это всё ещё далеко от массовых конструкционных материалов. Зато постепенно решается важная промежуточная задача: как заставить ДНК-наноструктуры появляться в заранее заданных местах на гораздо больших поверхностях. ДНК всё больше превращается из странного способа делать крошечные кусочки необычно прочного стекла в программируемую систему сборки материалов на масштабах, которые тяжело даются обычному производству.

Ган и сам подчёркивает, что возможность создавать трёхмерные каркасные наноматериалы с помощью ДНК открывает огромные возможности для управления механическими свойствами, но до применения этой технологии нужно ещё много работы.

Так что броню Железному человеку придётся подождать, а вот сама идея программируемых материалов из ДНК уже выглядит гораздо менее фантастической.