โรงงานที่มีชีวิต

โรงงานที่มีชีวิต

ชาวโรมันฟิชแมน
"กลศาสตร์ยอดนิยม" №11, 2017

ใยแมงมุมและผ้าไหมที่มีละอองเรืองแสง: นักวิทยาศาสตร์พร้อมที่จะเปลี่ยนสัตว์และพืชให้กลายเป็นโรงงานผลิตวัสดุในอนาคต

แมลงและแมงมุมได้พัฒนาทักษะการทอเส้นใยมานานหลายร้อยล้านปีเรียนรู้วิธีการสร้างวัสดุที่มีความคงทนและเบาไม่เข้ากันได้อย่างเหลือเชื่อและไม่เฉื่อยทางเคมี เป็นที่น่าเสียดายที่การที่มนุษย์ใช้เวลานับพันปีมาสู่การผลิตผ้าไหมโดยไม่คำนึงถึงแม้จะดีกว่าที่เรารู้คุณสมบัติของเส้นใยชีวภาพเหล่านี้มากเท่าไหร่ก็ดูเหมือนจะเป็นเหมือนกล้องจุลทรรศน์ ใช้เวลาอย่างน้อยเว็บ – วัสดุมีความน่าเชื่อถือมากกว่าเหล็ก (ความต้านทานแรงดึง 1.0-2.7 GPa) และน้ำหนักเบากว่าคาร์บอนไฟเบอร์ (ความหนาแน่น 1.3-1.4 กรัม / ซม.)3) คุณสมบัติของมันเทียบได้กับเส้นใยเคฟลาร์และเส้นใยใหม่ที่ได้รับการเสริมแรงด้วยโมเลกุล "knots" ในโซ่พอลิเมอร์ เสื้อผ้าและสายเคเบิ้ลกระเป๋าทนทานต่อการย่อยสลายทางชีวเคมีการผ่าตัดและชุดเกราะของร่างกายจะออกมาจากเว็บ

คุณสมบัติเหล่านี้เติบโตจากโครงสร้างที่ซับซ้อนของแมงมุมด้าย แมงมุมโปรตีนเช่น spidroin ถูกหลั่งโดยต่อมพิเศษและประกอบด้วยกรดอะมิโนกรดอะมิโนและอะลานีนส่วนใหญ่เนื่องจากสารหลั่งออกซิเจนแข็งตัวในอากาศ glycine ขนาดเล็กและเคลื่อนที่ก่อให้เกิดโครงสร้างฐานยืดหยุ่นและไม่เป็นรูปเป็นร่างในขณะที่อะลานีนถูกจัดเป็นโดเมน "ผลึก" ที่เข้มแข็งซึ่งสามารถผูกมัดกับสะพานซัลไฟด์ของสารตกค้างของกรดอะมิโนซีรีน นี่คือโครงสร้างทางชีววิทยาที่แท้จริงซึ่งเป็นโครงสร้างที่ซับซ้อนซึ่งช่วยให้บรรลุลักษณะเฉพาะ โมเลกุลเพิ่มเติมสามารถรวมอยู่ในฐานอสัณฐานทำให้คุณสมบัติใหม่ของเว็บ: ตัวอย่างเช่นไพโรลิดิดีนทำให้เกิดมดและในขณะเดียวกันก็ดูดซับน้ำได้อย่างมากทำให้เว็บอยู่ในสภาวะที่ไฮเดรทได้ดีที่สุด

การสนับสนุน

การปรากฏตัวของสาร "อัลลอยด์" เช่นนี้ไม่ใช่เรื่องแปลกสำหรับโพลิเมอร์ธรรมชาติ โลหะรวมเสริมสร้างขากรรไกรของแมลงบางชนิดและผลึกแร่ทำให้ฟันของกระเพาะอาหารมีความทนทานที่สุดในวัสดุธรรมชาติทั้งหมด ไม่น่าแปลกใจที่นักวิทยาศาสตร์ยังพยายามที่จะปรับปรุงคุณสมบัติของเว็บด้วยการแนะนำสารเติมแต่งเทียม – อนุภาคนาโนคาร์บอนนาโนทรีและแม้แต่ไมโครแคดเมียมของเซมิคอนดักเตอร์ซึ่งเป็นสารเคลือบที่ทำให้เกิดเรืองแสงจากเว็บ ตามกฎแล้วพวกเขาจะพ่นเพียงบนด้ายไม่สามารถฉีดอนุภาคเข้าไปในโครงสร้างของมันได้จนกว่านักฟิสิกส์ชาวอิตาเลียนอังกฤษ Nicola Puñoจะโรยสัตว์ด้วยน้ำที่มีเกล็ด graphene และ nanotubes

ในปี 2015 ทีมงานของเขาสามารถแสดงให้เห็นว่าวิธีการง่ายๆดังกล่าวทำงานได้: สารเติมแต่งที่จำเป็นต้องตกอยู่ในแมลงสาบเพิ่มความทนทานและความแข็งแรงให้กับแรงดึงได้ตลอดเวลา นักวิทยาศาสตร์ชาวจีนใช้วิธีนี้ทันทีโดยใช้วิธีเดียวกันเพื่อให้เส้นใยไหมมีความแข็งแรงสูงเป็นสองเท่า ในขณะเดียวกันศาสตราจารย์ Punio ได้ปรับปรุงวิธีการของเขาและในเดือนกันยายน พ.ศ. 2560 ได้มีการเผยแพร่ผลการศึกษารูปแบบของแมงมุมที่แตกต่างกันหลายหลากที่ถูกรดน้ำด้วย nanotubes ผนังเดียวหรือ graphene เจือจางในนั้น ตัวชี้วัดสูงสุดของเว็บของพวกเขากลายเป็นสิ่งที่ดีกว่าของธรรมชาติเนื่องจากท่อนาโนที่มีความสามารถในการรองรับน้ำหนักได้ถึง 5400 MPa และดูดซับพลังงานได้ถึง 1567 J / g ก่อนที่จะยุบตัวลง "ขั้นตอนการเสริมกำลังตามธรรมชาติสามารถใช้กับสัตว์และพืชอื่น ๆ ได้" Puñoและผู้ร่วมเขียนผลงานของเขามั่นใจว่า "สิ่งนี้จะนำไปสู่การเกิดนวัตกรรมใหม่ของวัสดุผสมแบบไบโอนิค"

การผลิต

ศาสตราจารย์ชาวอิตาลีพยายามที่จะรวมเทคโนโลยีนาโนและเทคโนโลยีชีวภาพมานานกว่าหนึ่งปี เขายังจดสิทธิบัตรวิธีการผลิตยางมีรูพรุนเสริมด้วย nanotubes ซึ่งในโพรงถูกสร้างขึ้นโดยการหมักยีสต์ ตอนนี้Puñoดูเหมือนว่าจะเปลี่ยนสิ่งมีชีวิตเป็นโรงงานที่เป็นมิตรกับสิ่งแวดล้อมด้วยวัสดุขั้นสูง ในความเป็นจริง biocomposites เช่นหอยทาก chitinous ฟันหรือแมงมุมจะดีกว่าหลาย analogs เทียมและนักวิทยาศาสตร์ยังไม่ได้ละทิ้งความพยายามของพวกเขาในการสร้างเทคโนโลยีสำหรับการสังเคราะห์อุตสาหกรรมของพวกเขาและการปรับเปลี่ยน พวกเขาจัดการเพื่อดึง spidroin จากต่อมแมงมุมและใช้มันเพื่อสร้างเส้นใยโดยใช้วิธีไฟฟ้าสถิตและอื่น ๆ อย่างไรก็ตามวิธีการเหล่านี้ทั้งหมดมีความซับซ้อนห้องปฏิบัติการและปรับขนาดให้เหมาะสมกับการผลิตที่มีศักยภาพทางเศรษฐกิจยังไม่สามารถทำได้

และจำเป็นต้องใช้หากผู้ผลิตธรรมชาติที่มีประสิทธิภาพล่องแก่งว่ายน้ำและเติบโตเพียงแค่: กระเพาะอาหารของโรงงานไคตินแมงมุมเหมือนผู้บริจาค spidroin เสริมด้วย nanofibers … คำถามของเราคือสิ่งที่ชนิดของวัสดุที่สามารถ "ปรับปรุง" ในลักษณะนี้ Nikola Puño ตอบว่า "ใช่ทุกอย่างรวมถึงเกราะธรรมชาติของด้วงไม้ ฯลฯp นักวิทยาศาสตร์กล่าวว่าการแก้ปัญหาดังกล่าวจะไม่เพียง แต่บรรลุคุณสมบัติที่ดีที่สุดของวัสดุ แต่ยังทำให้พวกเขาปลอดภัยสำหรับการใช้งานแม้ในยาดีวิธีการเกี่ยวกับการเพิ่มความแข็งแรงของกระดูกของเราโดยการแนะนำ nanotubes ในพวกเขา "จนถึงขณะนี้เสียงที่ยอดเยี่ยมเกินไป – ศาสตราจารย์ Punio กล่าวว่า แต่อย่างไรก็ตามไม่เคยพูดว่า "ไม่เคย" มาก่อน

คุณคาดหวังอะไรจากวัสดุในอนาคตอันใกล้?

Artem Oganov, นักเคมี, ผู้เชี่ยวชาญด้านการออกแบบคอมพิวเตอร์สำหรับวัสดุใหม่:

ลำดับที่ 1. ตัวนำยิ่งยวด มีความหวังที่แท้จริงสำหรับการสร้างสารที่คงความต้านทานเป็นศูนย์แม้ในอุณหภูมิและความดันทั่วไป การคำนวณจะมีบทบาทสำคัญในการค้นหาของพวกเขาเช่นตัวเก็บประจุที่มีอุณหภูมิสูงเป็นประวัติการณ์ H3S (-70 องศาเซลเซียส) เป็นครั้งแรกในทางทฤษฎีที่นักวิทยาศาสตร์จีนทำนายไว้โดยใช้วิธีการของฉันและจากนั้นก็สังเคราะห์ กับการถือกำเนิดของห้อง superconductors ห้องการปฏิวัติจะเกิดขึ้นและผลของการปฏิวัติใด ๆ ที่ไม่สามารถคาดการณ์ได้

№ 2 Thermoelectrics – วัสดุที่แปลงความร้อนเป็นไฟฟ้า มีอยู่ในขณะนี้ แต่การใช้งานมี จำกัด เนื่องจากประสิทธิภาพต่ำถ้ามีความเป็นไปได้ที่จะเพิ่มประสิทธิภาพอย่างน้อยสองครั้งจะเปิดช่องใหม่อย่างสมบูรณ์: thermoelectrics จะรวบรวมความร้อนที่เป็นพาหะในรถยนต์และเครื่องบินจะจัดหาเสื้อผ้าที่มีระบบ "ควบคุมอุณหภูมิ" การคำนวณแสดงให้เห็นว่าเป็นไปได้มากทีเดียว

№ 3 วัสดุสำหรับ photocatalysis ภายใต้การดำเนินการของแสงที่พวกเขากลายเป็นตื่นเต้นและสามารถเร่งปฏิกิริยาเช่นการแยกน้ำเพื่อผลิตไฮโดรเจนหรือสังเคราะห์น้ำมันเบนซินเทียมจากน้ำและ CO2. ผลที่ได้คือชัดเจน – การปฏิวัติในภาคพลังงาน

№ 4 แม่เหล็กใหม่ เกือบทั้งหมดของแม่เหล็กที่ดีมีราคาแพงและยากที่จะทำให้ธาตุดินหายาก ฉันต้องการจะกำจัดสิ่งนี้และในอนาคตอันใกล้นี้งานนี้สามารถแก้ไขได้ หากยังประสบความสำเร็จในการปรับปรุงประสิทธิภาพ (ไม่ว่าจะเป็นไปได้หรือไม่ก็ตาม แต่ก็ยังไม่ชัดเจนว่าจะมีข้อกังขาหรือไม่ก็ตาม) จะมีเครื่องยนต์ใหม่ ๆ


Like this post? Please share to your friends:
ใส่ความเห็น

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: