Glas-beschichtetes DNA-Material ist 4x stärker als Stahl

Die Eigenschaften von Festigkeit und Gewicht stehen sich normalerweise entgegen - wenn man das eine erhöht, verringert man normalerweise das andere. Die Entwicklung von Materialien, die das richtige Gleichgewicht für eine bestimmte Anwendung finden, ist ein wichtiger Bereich der Forschung. In diesem Fall haben die Wissenschaftler jedoch eine überraschende Kombination gefunden - DNA und Glas.

Obwohl DNA hauptsächlich für ihre dichte Datenspeicherung bekannt ist, könnte sie auch als vielseitiges Konstruktionsmaterial im Nanobereich dienen. Sie kann sich dehnen oder zusammenziehen und sich sogar zu verschiedenen Formen zusammensetzen. Glas hingegen wirkt zwar zerbrechlich, aber seine Tendenz zum Zerbrechen kommt normalerweise von Fehlern wie Rissen - makellose Glasstücke können jedoch unglaublich stark sein. Und interessanterweise sind winzige Glassplitter fast immer makellos.

Die Forscher machten sich diese Eigenschaft zunutze. Sie begannen mit DNA, die so programmiert war, dass sie sich zu gitterförmigen Strukturen selbst zusammenfügt. Diese wurde dann mit einem glasartigen Material beschichtet, wodurch Schichten entstanden, die nur einige hundert Atome dick sind. Das Ergebnis sind dünnere Stränge aus glasbeschichteter DNA, die ihre Festigkeit aus der Unterstützung beider Materialien gewinnen und leicht sind, weil diese Stränge einen Rahmen bilden, der hauptsächlich aus Hohlräumen besteht.


Bei Tests stellten die Wissenschaftler fest, dass das glasbeschichtete DNA-Nanolattengewebe eine Druckfestigkeit von bis zu 5 GigaPascals (GPa) aufweist. Dies, so sagen sie, ist viermal stärker als Stahl, aber nur ein Fünftel der Dichte.

"Für die gegebene Dichte ist unser Material das stärkste bekannte", sagt Seok-Woo Lee, einer der korrespondierenden Autoren der Studie.

Der nächste Schritt für das Forschungsteam ist es, mit der Formel zu experimentieren, dazu gehören der Versuch mit verschiedenen DNA-Strukturen und der Austausch des Glases gegen Materialien wie Carbide-Keramik, um zu sehen, ob sie es noch stärker machen können.

"Die Fähigkeit, mit DNA und Mineralien entworfene 3D-Rahmen-Nanomaterialien zu erzeugen und sie zu mineralisieren, eröffnet enorme Möglichkeiten zur Konstruktion mechanischer Eigenschaften", sagt Oleg Gang, ein weiterer korrespondierender Autor der Studie. "Aber es sind noch umfangreiche Forschungsarbeiten erforderlich, bevor wir sie als Technologie einsetzen können."

Quelle: https://today.uconn.edu/2023/07/strong-as-glass/