Bilim İnsanları Çelikten Beş Kat Daha Hafif ve Dört Kat Daha Güçlü Yeni Malzeme Yapmayı Başardılar….

DNA Cam Malzemesi

Araştırmacılar, DNA kullanarak bir yapı inşa edip ardından bunu camla kaplayarak son derece düşük yoğunluklu, son derece sağlam bir malzeme geliştirdiler.
Hem dayanıklılığa hem de hafifliğe sahip malzemeler, otomobillerden vücut zırhlarına kadar her şeyi geliştirme potansiyeline sahip.

Connecticut Üniversitesi’ndeki araştırmacılar , işbirlikçileriyle birlikte artık inanılmaz derecede güçlü ancak hafif bir malzeme ürettiler. Şaşırtıcı bir şekilde bunu iki beklenmedik yapı taşı kullanarak başardılar: DNA ve cam.

UConn’da malzeme bilimcisi olan Seok-Woo Lee, “Verilen yoğunluk açısından bizim malzememiz bilinen en güçlü malzemedir” diyor. UConn, Columbia Üniversitesi ve Brookhaven Ulusal Laboratuvarı’ndan Lee ve meslektaşları, ayrıntıları 19 Temmuz’da Cell Reports Physical Science’da bildirdiler .
Güç görecelidir. Örneğin demir santimetre kare başına 7 ton basınca dayanabilir. Ama aynı zamanda çok yoğun ve ağırdır; ağırlığı 7,8 gram/santimetre küptür. Titanyum gibi diğer metaller demirden daha güçlü ve daha hafiftir. Birden fazla elementi birleştiren bazı alaşımlar daha da güçlüdür. Güçlü, hafif malzemeler, hafif vücut zırhlarına, daha iyi tıbbi cihazlara olanak sağladı ve daha güvenli, daha hızlı arabalar ve uçaklar yaptı.

DNA Cam Malzeme Grafiği

UConn ve Brookhaven Ulusal Laboratuvarı’ndan malzeme bilimcileri, DNA ve camdan olağanüstü derecede güçlü, hafif bir malzeme ürettiler. Üstteki resim serisi (A), yapının iskeletinin DNA ile nasıl bir araya getirildiğini ve ardından camla kaplandığını gösteriyor. (B) malzemenin transmisyon elektron mikroskobu görüntüsünü gösterir ve (C), sağdaki iki panelin farklı ölçeklerdeki özellikleri yakınlaştırdığı taramalı elektron mikroskobu görüntüsünü gösterir.
Örneğin elektrikli bir aracın menzilini genişletmenin en kolay yolu, aküyü genişletmek değil, güvenlikten ve kullanım ömründen ödün vermeden aracın kendisini daha hafif hale getirmektir. Ancak geleneksel metalurji teknikleri son yıllarda bir sınıra ulaştı ve malzeme bilimcileri yeni hafif, yüksek mukavemetli malzemeler geliştirmek için daha da yaratıcı olmak zorunda kaldı.
Şimdi Lee ve meslektaşları, DNA’dan bir yapı inşa edip bunu camla kaplayarak çok düşük yoğunluklu, çok güçlü bir malzeme oluşturduklarını bildiriyorlar. Cam kolayca parçalandığı için şaşırtıcı bir seçim gibi görünebilir. Ancak cam genellikle yapısındaki bir kusur (çatlak, çizik veya eksik atom) nedeniyle kırılır. Kusursuz bir santimetreküp cam, 10 tonluk basınca dayanabilir; bu, geçen ay Oceangate Titan denizaltısının Titanik’in yakınında patlatılmasının üç katından fazladır.

Kusursuz büyük bir cam parçası oluşturmak çok zordur ama araştırmacılar çok küçük kusursuz parçaların nasıl yapılacağını biliyorlardı. Camın kalınlığı bir mikrometreden az olduğu sürece neredeyse her zaman kusursuzdur. Camın yoğunluğu metallere ve seramiklere göre çok daha düşük olduğundan, kusursuz nano boyutlu camdan yapılmış her türlü yapı güçlü ve hafif olmalıdır.
Ekip, kendi kendine birleşen bir DNA yapısı oluşturdu. Neredeyse Magnatiles’e benzer şekilde, belirli uzunluk ve kimyaya sahip DNA parçaları, malzemenin bir iskeletini oluşturacak şekilde bir araya geldi. Bir evin veya binanın çerçevesini hayal edin, ancak DNA’dan yapılmış.
Columbia Üniversitesi ve Brookhaven Fonksiyonel Nanomateryaller Merkezi’nden nanomateryal bilim adamları olan Oleg Gang ve Aaron Mickelson , daha sonra DNA’yı yalnızca birkaç yüz atom kalınlığında çok ince, cam benzeri bir malzeme tabakasıyla kapladılar. Cam, DNA iplikçiklerini yeni kapladı ve tıpkı bir ev veya binadaki odalar gibi, malzeme hacminin büyük bir kısmını boş alan olarak bıraktı.

DNA iskeleti, camın ince, kusursuz kaplamasını güçlendirerek malzemeyi çok güçlü hale getirdi ve malzemenin hacminin çoğunu oluşturan boşluklar onu hafif yaptı. Sonuç olarak, cam nanokafes yapıları çeliğe göre dayanım açısından dört kat daha yüksek, yoğunluk olarak ise beş kat daha düşüktür. Hafiflik ve yüksek mukavemetin bu sıra dışı kombinasyonu daha önce hiç elde edilmemişti.
“DNA kullanarak tasarlanmış 3 boyutlu çerçeve nanomateryalleri oluşturma ve bunları mineralleştirme yeteneği, mekanik özelliklerin mühendisliği için muazzam fırsatlar yaratıyor. Ancak bunu bir teknoloji olarak kullanabilmemiz için hâlâ çok fazla araştırma çalışmasına ihtiyaç var” diyor Gang.
Ekip şu anda aynı DNA yapısıyla çalışıyor ancak cam yerine daha güçlü karbür seramikler kullanıyor. Malzemeyi hangisinin daha güçlü yaptığını görmek için farklı DNA yapılarıyla denemeler yapmayı planlıyorlar. Aynı konsepti temel alan gelecekteki malzemeler, araçlar ve dayanıklılığa öncelik veren diğer cihazlar için enerji tasarrufu sağlayan malzemeler olarak büyük umut vaat ediyor. Lee, DNA origami nano mimarisinin daha önce hayal etmediğimiz daha hafif ve daha güçlü malzemeler yaratmak için yeni bir yol açacağına inanıyor.
“Iron Man filmlerinin büyük bir hayranıyım ve her zaman Iron Man için nasıl daha iyi bir zırh yaratılabileceğini merak etmişimdir. Daha hızlı uçabilmesi için çok hafif olması gerekir. Onu düşmanların saldırılarından korumak için çok güçlü olmalı. Yeni malzememiz çelikten beş kat daha hafif ama dört kat daha güçlü. Dolayısıyla cam nano kafeslerimiz, Iron Man için geliştirilmiş bir zırh oluşturmak açısından diğer yapısal malzemelerden çok daha iyi olacaktır.”diyor Lee.