یخ مقاوم جدید با استحکامی نزدیک به بتن ساخته شد

در جریان جنگ جهانی دوم، نیروی دریایی سلطنتی بریتانیا ایده ساخت ناو هواپیمابر از یخ تقویت‌شده با خمیر چوب را بررسی کرد.

این ماده ترکیبی که پایکریت نام داشت، ظاهراً استحکامی نزدیک به بتن داشت؛ البته به شرط آنکه در حالت انجماد باقی بماند. قرار بود این کشتی در واقع کوه یخی شناور، تقویت‌شده و سفارشی باشد که هواپیماها بتوانند از روی آن برخیزند و روی آن فرود بیایند. با این حال، افزایش هزینه‌ها و پیدایش گزینه‌های بهتر باعث شد این پروژه در نهایت کنار گذاشته شود.

اکنون گروهی از پژوهشگران به سرپرستی محققانی از دانشگاه عبری اورشلیم در اسرائیل، ایده دهه ۱۹۴۰ را گسترش داده‌اند و ماده‌ای به نام بایوپایکریت ساخته‌اند. آن‌ها با افزودن بلورهای گیاهی و پروتئینی ویژه به یخ، ماده‌ای تولید کرده‌اند که ۱۰ برابر مستحکم‌تر از یخ معمولی است و پیش از شکستن، می‌تواند تا ۷۰ برابر انرژی بیشتری جذب کند.

نتایج بررسی این ماده جدید در مجله Colloids and Surfaces B: Biointerfaces منتشر شده است. پژوهشگران امیدوارند که این ماده در آینده به‌عنوان مصالح ساختمانی کاربرد پیدا کند.

یخ ابرمستحکم

ایدو براسلاوسکی، زیست‌شیمی‌دان دانشگاه عبری اورشلیم، درباره رویکرد گروه پژوهشی توضیح داد

هدف ما این بود که از ترکیب ساده الیاف با یخ فراتر برویم و به‌جای آن، نحوه اتصال مواد مختلف به یکدیگر را در سطح مولکولی کنترل کنیم. نتیجه این کار نه‌تنها استحکام یخ، بلکه نحوه شکستن آن را نیز تغییر می‌دهد. این ماده به‌جای خرد شدن ناگهانی، می‌تواند انرژی بسیار بیشتری جذب کند و به‌تدریج تغییر شکل دهد.

هدف اصلی از تولید این ماده، ساخت ناو هواپیمابر نیست؛ بلکه پژوهشگران به دنبال استفاده از آن در پروژه‌های ساختمانی مناطق سرد و دورافتاده‌ای هستند که اجرای روش‌های معمول ساخت‌وساز در آن‌ها دشوار است؛ مناطقی مانند قطب شمال و قطب جنوب.

از آنجا که در تولید این ماده نیازی به بتن یا فولاد نیست و ترکیبات اصلی آن یخ و سلولز گیاهی هستند، بایوپایکریت می‌تواند مصالحی با ردپای کربنی پایین و قابلیت تجزیه زیستی به شمار برود.

پژوهشگران در مقاله منتشرشده خود نوشتند

صنعت ساخت‌وساز یکی از ارکان اصلی اقتصاد جهانی به شمار می‌رود، اما همچنان در میان آلاینده‌ترین صنایع محیط‌زیست قرار دارد و مسئول انتشار حجم قابل‌توجهی از کربن و مصرف گسترده منابع طبیعی است. زیست‌فناوری می‌تواند با توسعه مواد زیستی نوآورانه و پایدار، راهکاری تحول‌آفرین برای کاهش این آثار زیست‌محیطی ارائه دهد.

با وجود این، استفاده از بایوپایکریت به‌عنوان مصالح ساختمانی هنوز به زمان و پژوهش بیشتری نیاز دارد. مطالعه فعلی تنها یک آزمایش مقدماتی در مقیاس کوچک برای اثبات امکان‌پذیری این ایده بوده است. در مراحل بعدی باید دوام ماده در دوره‌های طولانی و عملکرد آن در شرایط محیطی متغیر بررسی شود.

ساختار پروتئین و افزایش استحکام یخ

پژوهشگران به‌جای استفاده از الیاف درشت و نامنظم خمیر چوب، از نانوکریستال‌های سلولز بهره گرفتند. سلولز ماده اصلی سازنده ساختار گیاهان است و هنگامی که به شکل نانوکریستال درمی‌آید، می‌تواند مانند یک عامل تقویت‌کننده میکروسکوپی برای مواد دیگر، از جمله یخ، عمل کند. این ساختار به جلوگیری از گسترش آسان ترک‌ها کمک می‌کند.

پروتئین مورد استفاده در این پژوهش CBM3a-AFPIII نام دارد و از ترکیب یک پروتئین ضدیخ یا AFP با یک بخش متصل‌شونده به کربوهیدرات یا CBM ساخته شده است. وظیفه این پروتئین، ایفای نقش چسب و حفظ اتصال میان نانوکریستال‌های سلولز و یخ بود.

این روش نوآورانه به نظر می‌رسد و پژوهشگران معتقدند که با تغییر ترکیبات و بهینه‌سازی روش تولید، امکان افزایش بیشتر استحکام این یخ ابرمستحکم وجود دارد. پژوهشگران نوشتند

بهینه‌سازی سرعت فرایند جامد شدن و روش‌های انجماد، در کنار توسعه گونه‌های متنوعی از پروتئین‌های ترکیبی AFP-CBM، می‌تواند به تولید مواد کامپوزیتی با استحکام بیشتر منجر شود.

علاوه بر آزمایش‌های بیشتر برای ارزیابی دوام این ماده، پژوهشگران قصد دارند نحوه گسترش ترک‌ها در بایوپایکریت را با دقت بیشتری بررسی کنند. این بررسی‌ها به آن‌ها کمک خواهد کرد تا مشخص شود آیا سازوکارهای تقویت‌کننده پیشنهادی واقعاً مسئول افزایش استحکام ماده هستند یا خیر.

در آینده، این رویکرد می‌تواند مسیر تازه‌ای برای تولید مواد مورد استفاده در بسته‌بندی، ساخت‌وساز و حوزه‌های دیگر باز کند. ایده اصلی، استفاده از یک پروتئین اختصاصی برای پیوند دادن دو ماده ظاهراً نامتجانس، یعنی یخ و سلولز، به یکدیگر است. پژوهشگران در مقاله خود نوشته‌اند

ما با ایجاد پیوند میان طراحی پروتئین‌های نوترکیب و مهندسی سازه، ماده‌ای با عملکرد بالا توسعه داده‌ایم که به‌طور ویژه برای مقاومت در برابر شرایط سخت‌ترین محیط‌های جهان طراحی گردیده.

نتایج این پژوهش در مجله Colloids and Surfaces B: Biointerfaces منتشر شده است.

برای ارزیابی پایداری، امنیت و نگهداری این زیرساخت، راهنمای پشتیبانی شبکه را نیز مطالعه کنید.