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當DNA與玻璃碰撞，難以置信的輕質材料就誕生了，比鋼強4 倍，卻比羽毛還輕 l

文章來源：賢集網更新時間：2023-10-24 14:37:38

新材料一直是各國科技競爭的重點領域。最近，一項令人矚目的研究在科學界引起了轟動。康涅狄格大學的材料科學家們通過非傳統手段，將DNA和玻璃融合起來，成功合成了一種令人印象深刻的材料——“DNA玻璃”。據悉，這種材料比鋼更堅固、更輕，被認為是已知最強的材料之一。

研究人員通過將 DNA 涂覆在純玻璃上，創造出了一種比鋼鐵更輕、更堅固的新型材料。這一突破性發現利用了玻璃的納米級結構和 DNA 的獨特性質，有望在工程和國防領域得到廣泛應用。

尋找既硬又輕的材料一直是一個挑戰，這兩個特性往往相互矛盾，但事實并非如此，這兩個特性有時可以并存。

大多數酷炫的科學項目都有一些同樣酷炫的靈感來源。這次的靈感來自于鋼鐵俠的標志性戰甲。“我是鋼鐵俠電影的忠實粉絲，我一直想知道如何為鋼鐵俠創造更好的戰甲。它必須非常輕，這樣他才能飛得更快。它必須非常強，才能抵擋敵人的攻擊。我們的新材料比鋼輕五倍，但強四倍。所以，我們的玻璃納米格子會比任何其他結構材料更適合用來制造一個改進版的鋼鐵俠戰甲。”哥倫比亞大學的納米材料科學家 Oleg Gang 說。

制備過程

功能納米材料中心（CFN）是美國能源部科學辦公室在布魯克海文實驗室的用戶設施，該中心的材料科學家奧列格-甘（Oleg Gang）是哥倫比亞大學的教授，多年來他一直在利用 DNA 的獨特性質進行材料合成，并取得了眾多發現。這項新技術激發了一系列創新應用--從藥物傳輸到電子產品。

Gang非常有興趣探索如何增強普通材料（如玻璃）的機械性能，并在納米尺度上對其進行結構化。

他們方法的關鍵在于利用玻璃本身固有的優勢，是的，就是很容易碎裂的玻璃。玻璃之所以容易碎裂，在大多數情況下與其結構中存在的缺陷有關，比如裂縫或缺失的原子。然而，在最純凈、最完美的形式下，一小塊玻璃可以承受足以壓碎一些最堅固、最重的材料的壓力。

然而，制作大塊無瑕玻璃是極其困難的。這就是為什么當使用玻璃作為結構材料時，其厚度幾乎總是小于一個微米。由于它比許多金屬和陶瓷都輕，所以由這種純凈的納米級玻璃制成的結構既堅固又輕盈。

科學家們使用了一層非常薄的二氧化硅玻璃（厚度僅約 5 納米或幾百個原子）來包裹 DNA 框架，留出內部空間，確保制成的材料超輕。在如此小的尺度上，玻璃對缺陷或瑕疵不敏感，從而提供了較大玻璃片所不具備的強度，因為較大的玻璃片會產生裂縫，導致玻璃破碎。研究小組想知道這種材料的強度到底有多大，這就需要一些非常專業的設備。

有一些簡單的方法可以檢查某樣東西是否堅固。戳、推、靠在物體表面，觀察它們的行為通常可以提供有用的信息。它們是彎曲、吱吱作響、倒扣，還是在壓力下巋然不動？這是了解物體強度的一個簡單而有效的方法，即使沒有精確測量的工具。然而，如何按壓一個小得看不見的物體呢？

米切爾森解釋說：“為了測量這些微小結構的強度，我們采用了一種叫做納米壓痕的技術。"納米壓痕是一種在非常小的范圍內進行的機械測試，使用的是一種可以施加和測量阻力的精密儀器。我們的樣品只有幾微米厚，約為千分之一毫米，因此無法用傳統方法測量這些材料。利用電子顯微鏡和納米壓痕技術，我們可以同時測量機械行為和觀察壓縮過程。”

當微型裝置壓縮或壓入樣品時，研究人員可以進行測量并觀察機械性能。然后，他們就能看到材料在釋放壓縮后恢復原狀的過程中發生了什么變化。如果出現任何裂縫或結構在任何時候失效，都可以記錄下這些寶貴的數據。

測試表明，玻璃涂層 DNA 晶格的強度是鋼的四倍！更有趣的是，它的密度比鋼低五倍。雖然有些材料既堅固又相當輕便，但從未達到過這種程度。

有望開啟一個新的超材料時代

然而，這項研究目前仍處于實驗室階段，離實際應用還有很長的路要走。科學家們承認，他們需要進一步擴大這項技術的規模，并進行更深入的研究。

雖然在擴大這種材料的規模并考慮其無數的應用之前，仍有許多工作要做，但材料科學家仍有理由為這意味著什么而感到興奮。研究小組計劃研究比玻璃更堅固的其他材料，如碳化物陶瓷，看看它們是如何工作和表現的。這可能會在未來研制出更堅固的輕質材料。

雖然米切爾森的職業生涯還處于早期階段，但他已經取得了很多成就，并且已經迫不及待地開始下一階段的研究。

這一研究的結果引發了廣泛的討論和思考。有人認為，這種創新的材料有望開啟一個新的超材料時代，為未來的科技發展提供巨大機遇。

盡管如此，無論如何，這種“DNA玻璃”仍然是一項令人振奮的突破。它不僅在科學上具有重大意義，還有望為我們創造出更先進、更輕便、更堅固的材料鋪平道路。相信未來，我們將看到這個世界因這項創新而變得更加美好。

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來源：賢集網
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