Vedci vytvorili ľad, ktorý je 10-krát pevnejší než bežný. Pevnosťou sa približuje betónu

Ľad patrí medzi lacné a dostupné materiály, no pri jeho využití v stavebníctve narážame na zásadný problém. Stačí malá prasklina a materiál sa môže náhle rozlomiť na kusy. Vedci z Hebrejskej univerzity v Jeruzaleme teraz vyvinuli spôsob, ako túto slabinu výrazne obmedziť. Vytvorili nový materiál s názvom BioPykrete, ktorý dosahuje približne desaťnásobnú pevnosť bežného ľadu pri stláčaní a pred porušením dokáže absorbovať až 70-krát viac energie.

BioPykrete nie je obyčajný ľad zmiešaný s niekoľkými vláknami. Výskumníci spojili drobné rastlinné kryštály so špeciálne navrhnutou bielkovinou, ktorá pomáha jednotlivým častiam materiálu držať pokope. Výsledkom je štruktúra, ktorá lepšie odoláva poškodeniu a pri záťaži sa neničí tak náhle ako obyčajný ľad. Výsledky výskumu publikoval odborný časopis Colloids and Surfaces B: Biointerfaces. Tím viedol profesor Ido Braslavsky z Fakulty poľnohospodárstva, potravinárstva a životného prostredia Roberta H. Smitha.

Rastliny vedcom umožnili vytvoriť oveľa pevnejší ľad

Nápad vystužiť ľad nie je úplne nový. Už počas druhej svetovej vojny vedci experimentovali s materiálom Pykrete, ktorý vznikol kombináciou ľadu a drevnej buničiny. Takáto zmes mala vyššiu pevnosť a topila sa pomalšie než obyčajný ľad. Výskumníci z Jeruzalema však tento princíp posunuli na oveľa menšiu úroveň. Namiesto bežných kúskov dreva využili nanokryštály celulózy, teda mimoriadne drobné a pevné častice z materiálu, ktorý rastlinám dodáva ich prirodzenú štruktúru. Keď zmes zamrzla, nanokryštály vytvorili trojrozmernú sieť okolo mikroskopických oblastí ľadu. Táto sieť spevnila vnútornú štruktúru materiálu, no samotné rastlinné častice na dosiahnutie najlepších výsledkov nestačili. Vedci potrebovali zabezpečiť aj ich pevné spojenie s ľadom.

Na tento účel navrhli špeciálnu bielkovinu, ktorá funguje ako molekulárne lepidlo. Jedna jej časť sa viaže na ľad, druhá na celulózu. Vďaka tomu dokáže prepojiť obe zložky a udržať vystužujúcu sieť na mieste.

„Chceli sme ísť ďalej než len zmiešať vlákna s ľadom. Naším cieľom bolo riadiť spôsob, akým sa jednotlivé materiály spájajú na molekulárnej úrovni,“ vysvetlil profesor Braslavsky.

Práve toto prepojenie podľa výskumníkov zohráva zásadnú úlohu pri výslednej pevnosti BioPykrete.

Súvisí s tým

Nový typ betónu je výrazne pevnejší. Zároveň dokáže zachytávať oxid uhličitý

Prečo sa superľad nerozpadne tak ľahko?

Pri obyčajnom ľade môže aj drobná trhlina spustiť reťazovú reakciu. Keď sa začne šíriť materiálom, často pokračuje ďalej, až kým sa celá štruktúra nerozlomí. BioPykrete tento proces komplikuje vďaka celulózovej sieti a väzbám medzi jednotlivými zložkami. Keď trhlina narazí na vystužujúcu sieť, nemôže sa šíriť tak voľne ako v bežnom ľade. Musí prekonať ďalšie prekážky alebo zmeniť smer. Bielkovina navyše ukotvuje celulózové kryštály priamo v ľade, takže na deformáciu či roztrhnutie tejto siete treba vynaložiť viac energie.

Materiál tak dokáže lepšie rozložiť mechanické zaťaženie. Namiesto náhleho roztrieštenia sa postupne deformuje a na jeho porušenie treba podstatne viac energie.

Laboratórne skúšky priniesli pozoruhodné výsledky. BioPykrete dosiahol približne desaťnásobnú pevnosť v tlaku v porovnaní s čistým ľadom. V tomto parametri sa dostal na úroveň porovnateľnú s bežným betónom. Ešte výraznejší rozdiel vedci zaznamenali pri množstve energie, ktoré materiál absorboval pred porušením. V tomto prípade dosiahol približne 70-násobok hodnoty obyčajného ľadu. Dôležitý výsledok prinieslo aj porovnanie s podobnou zmesou ľadu a celulózy bez špeciálnej bielkoviny. Po pridaní molekulárneho spojiva sa pevnosť aj schopnosť absorbovať energiu zdvojnásobili. To naznačuje, že rozhodujúcu úlohu nezohráva iba samotné vystuženie, ale aj spôsob, akým sa jednotlivé zložky navzájom spájajú.

Vedci hovoria o BioPykrete ako o stavebnom materiáli v arktických oblastiach

Vedci vidia potenciál materiálu najmä v oblastiach s extrémne nízkymi teplotami, napríklad v Arktíde a Antarktíde. Preprava betónu, ocele a ďalších stavebných materiálov do odľahlých regiónov môže byť nákladná a logisticky náročná. Ak by sa BioPykrete podarilo vyrábať priamo na mieste, v určitých podmienkach by mohol ponúknuť zaujímavú alternatívu.

Jeho zloženie tvorí prevažne ľad a rastlinná celulóza, čo by mohlo znížiť environmentálnu záťaž v porovnaní s niektorými tradičnými stavebnými materiálmi. Takéto využitie však zatiaľ zostáva iba možnosťou. Vedci ešte musia overiť, či si materiál zachová svoje vlastnosti počas dlhšieho obdobia a pri skutočnom nasadení v teréne.

„Výsledok mení nielen pevnosť ľadu, ale aj spôsob, akým sa láme. Namiesto náhleho roztrieštenia dokáže absorbovať oveľa viac energie a postupne sa deformovať,“ uviedol Braslavsky.

Pred praktickým využitím čaká materiál ďalšie testovanie

BioPykrete zatiaľ predstavuje predovšetkým dôkaz, že vedci dokážu výrazne zmeniť mechanické vlastnosti ľadu pomocou vhodne navrhnutých molekulárnych spojení. Kým sa však dostane do stavebnej praxe, výskumníci musia zodpovedať viacero otázok. Jednou z nich je odolnosť pri opakovanom zamŕzaní a rozmŕzaní. Takéto zmeny môžu narušiť vnútornú štruktúru materiálu a oslabiť väzby medzi jeho zložkami. Vedci musia tiež zistiť, ako sa bude správať pri dlhodobom zaťažení a či sa pod stálym tlakom nezačne postupne deformovať.

Ďalší výskum sa zameria na šírenie trhlín, nové typy bielkovín a rôzne spôsoby zmrazovania. Tie by mohli pomôcť dosiahnuť ešte lepšie mechanické vlastnosti.

BioPykrete teda zatiaľ nenahradí betón ani oceľ. Ukazuje však, že aj materiál, ktorý poznáme zo zimných mesiacov, môže pri správnom návrhu získať vlastnosti, ktoré by sme od obyčajného ľadu nečakali. Ak ďalšie skúšky potvrdia jeho odolnosť aj mimo laboratória, v budúcnosti by mohol nájsť využitie aspoň v niektorých stavbách v najchladnejších častiach sveta.