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最強の素材はDNAをガラスコーティングすることで作り出せる

強度があり、かつ軽量である素材は、様々な構造体に用いられる素材として理想的な物ではあるが、通常、これら二つの特性は相互に排他的である。だが、コネチカット大学の研究者らは、誰もが考えもしなかった、DNAとガラスを使用して、非常に強く、軽量な素材を開発した。

「この密度では、われわれの材料は既知の中で最強です」と、コネチカット大学の材料科学者であるSeok-Woo Lee氏は述べている。

既にDNAは主に高密度のデータ保存特性で知られているが、ナノスケールの建築材料としても万能である可能性がある。DNAは伸びたり縮んだりすることができ、さらには自己組織化してさまざまな形にすることもできる。一方、ガラスは壊れやすいと思われるかもしれないが、ガラスが砕けやすいのは通常、ひび割れのような欠陥があるためである。逆に言えば、ガラスの小さな破片には、そうした欠陥がない。

今回、Lee氏とその同僚たちは、DNAから構造を作り、それをガラスでコーティングすることで、非常に強く、密度が非常に低い(つまり軽量な)素材を作り出すことができたと報告している。非常に小さなガラス、具体的には1マイクロメートル以下の厚さであれば、ガラスは欠陥がなく、ひび割れることもない。そして、ガラスの密度は金属やセラミックよりもはるかに低いため、欠陥のないナノサイズのガラスで作られた構造は強く、軽量なのだ。

(Credit: University of Connecticut)

チームは、自己組織化するDNAの構造を作り出した。特定の長さと化学的なDNAのピースが、素材の骨格を自己組織化するように、まるでマグネタイルのように組み合わさった構造だ。その後、コロンビア大学とBrookhavenのCenter for Functional Nanomaterialsのナノマテリアル科学者であるOleg Gang氏とAaron Mickelson氏は、DNAを数百原子の厚さの非常に薄いガラス状の材料でコーティングした。ガラスはDNAの糸をほんの少しコーティングし、素材の大部分の体積を空間として残した。これは、家や建物の中の部屋のようなものである。DNAの骨格は薄く、欠陥のないガラスのコーティングを強化し、素材を非常に強くした。そして、素材の大部分の体積は空気が占めることで、軽量にすることに成功した。その結果、ガラスのナノ格子構造は鋼よりも4倍高い強度を持ちながら、5倍低い密度を持つことができた。このような軽量で高強度の組み合わせは、これまでに達成されたことがない。

「DNAを使用して設計された3Dフレームワークナノマテリアルを作り、それを鉱化する能力は、機械的特性を工学的に設計するための大きな可能性を開く。しかし、それを技術として使用する前にはまだ多くの研究が必要です」とGang氏は述べている。

このチームは現在、同じDNA構造を使用しているが、ガラスの代わりにさらに強いカーバイドセラミックを使用している。彼らは、どのDNA構造が素材を最も強くするかを見るために、異なるDNA構造で実験する計画を立てている。この同じ概念に基づく未来の素材は、強度を優先する車両や他のデバイスのためのエネルギー節約素材として大いに期待されている。Lee氏は、DNA折り紙ナノアーキテクチャが、これまでに想像したことのないような軽くて強い素材を作り出す新たな道を開くと信じている。「私はアイアンマンの映画が大好きで、いつもアイアンマンのためのより良いアーマーをどのように作ればいいのかを考えていました。彼がより速く飛ぶためには、それは非常に軽くなければなりません。敵の攻撃から彼を守るためには、それは非常に強くなければなりません。我々の新しい素材は鋼よりも5倍軽く、4倍強い。だから、我々のガラスナノ格子は、アイアンマンのアーマーを改良するための他のどの構造材料よりも優れているのです」と彼は述べている。


論文

参考文献

研究の要旨

連続ナノ格子は、機械的メタマテリアルの新しいクラスであり、その優れた強度対重量比のために非常に魅力的である。その理由は、その空間アーキテクチャと理論に近い強度を持つナノスケールサイズの要素に由来する。小さな素子を複雑な構造に配列する方法が限られているため、50nm以下のフレームワークの合理的な設計は依然として困難である。ここでは、DNA折り紙ナノ格子の自己組織化とシリカテンプレーティングを用いて、厚さ約4~20nmのシリカ骨格を作製し、その場で微小圧縮試験を行って機械的特性を調べた。その結果、降伏強度(σy と破壊モードに対する格子寸法の強い影響を観察した。シリカナノ格子は、同程度の質量密度を持つ既知の工学材料よりも高い降伏強度を示すことがわかった。ナノチンと強力なシリカ元素の強固な配位は、軽量で高強度なフレームワーク材料の組み合わせにつながり、優れた機械的特性を持つナノアーキテクト材料の製造のための効果的な戦略を提供する。

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