BioPykrete: biljni nanokristali i dizajnirani protein pretvaraju led u materijal otporan na lom

Led se obično povezuje s krhkošću. Dovoljno je malo jači udarac ili promjena temperature pa se njegova unutarnja struktura počinje raspadati. Istraživači Hebrejskog sveučilišta u Jeruzalemu pokušali su taj problem riješiti stvaranjem kompozita koji kombinira led s materijalima biljnog podrijetla i posebno dizajniranim proteinom. Rezultat su nazvali BioPykrete.

Materijal se sastoji od leda i celuloznih nanokristala, sitnih krutih čestica dobivenih iz biljne celuloze. Sama celuloza može pojačati ledenu matricu, ali istraživači su htjeli bolje povezati dva materijala. Zato su razvili himerni protein CBM3a-AFPIII. Jedan dio proteina veže se za led, a drugi pokazuje afinitet prema kristalima celuloze. Protein tako djeluje poput molekularnog mosta.

Tijekom kontroliranog zamrzavanja nanokristali oblikuju trodimenzionalnu mrežu oko mikroskopskih područja leda. Kada se u materijalu pojavi pukotina, ona se ne širi tako lako ravnom linijom. Mreža je usporava, preusmjerava ili zaustavlja, a kompozit se lomi postupnije nego običan led. Upravo je kontrola širenja pukotina važnija od same tvrdoće, jer materijal može biti čvrst, ali i dalje iznenada popustiti.

Prema rezultatima laboratorijskih testova, BioPykrete je imao približno deset puta veću tlačnu čvrstoću od standardnog leda. Energija potrebna da se uzorak dovede do loma bila je oko 70 puta veća nego kod običnog leda. Dodavanje himernog proteina dodatno je približno udvostručilo čvrstoću i energiju loma u odnosu na sličan kompozit leda i celuloze bez proteinske veze.

Ovakvi rezultati zanimljivi su zbog mogućih primjena u ekstremno hladnim područjima. Na Arktiku i Antarktici doprema betona, čelika i druge građevinske opreme može biti skupa i logistički zahtjevna. Materijal koji se proizvodi od lokalno dostupnog leda i obnovljivih komponenti mogao bi jednog dana poslužiti za privremene strukture ili zaštitne elemente. To je, međutim, zasad samo mogući smjer, a ne gotova tehnologija.

Uzorci iz istraživanja bili su maleni i testirani u kontroliranim laboratorijskim uvjetima. Nije još poznato kako bi se BioPykrete ponašao pod dugotrajnim opterećenjem, tijekom ciklusa smrzavanja i odmrzavanja ili u stvarnom vjetru i snijegu. Također nije dovoljno reći da materijal ima „nizak ugljični otisak“ samo zato što sadrži celulozu. Za takvu procjenu trebala bi se analizirati cijela proizvodnja, transport i uporaba.

Najzanimljivija ideja nije u tome da će led uskoro zamijeniti beton, nego u načinu razmišljanja koje istraživanje pokazuje. Umjesto da se prirodna slabost materijala prihvati kao nepromjenjiva, znanstvenici su pokušali dizajnirati veze na molekularnoj razini. Ako se taj pristup potvrdi u većim i dugotrajnijim pokusima, mogao bi pomoći u razvoju materijala koji koriste manje energije i oslanjaju se na lokalne resurse.

BioPykrete je zato najbolje promatrati kao dokaz koncepta. Njegova snaga danas postoji u laboratorijskim mjerenjima, ne na gradilištu. Ali upravo takvi eksperimenti pokazuju kako se materijali koje inače smatramo slabima mogu preoblikovati preciznim razumijevanjem njihovih unutarnjih veza.