当DNA与玻璃碰撞，难以置信的轻质材料就诞生了，比钢强4 倍，却比羽毛还轻 l-山东化工网

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当DNA与玻璃碰撞，难以置信的轻质材料就诞生了，比钢强4 倍，却比羽毛还轻 l

文章来源：贤集网更新时间：2023-10-24 14:37:38

新材料一直是各国科技竞争的重点领域。最近，一项令人瞩目的研究在科学界引起了轰动。康涅狄格大学的材料科学家们通过非传统手段，将DNA和玻璃融合起来，成功合成了一种令人印象深刻的材料——“DNA玻璃”。据悉，这种材料比钢更坚固、更轻，被认为是已知最强的材料之一。

研究人员通过将 DNA 涂覆在纯玻璃上，创造出了一种比钢铁更轻、更坚固的新型材料。这一突破性发现利用了玻璃的纳米级结构和 DNA 的独特性质，有望在工程和国防领域得到广泛应用。

寻找既硬又轻的材料一直是一个挑战，这两个特性往往相互矛盾，但事实并非如此，这两个特性有时可以并存。

大多数酷炫的科学项目都有一些同样酷炫的灵感来源。这次的灵感来自于钢铁侠的标志性战甲。“我是钢铁侠电影的忠实粉丝，我一直想知道如何为钢铁侠创造更好的战甲。它必须非常轻，这样他才能飞得更快。它必须非常强，才能抵挡敌人的攻击。我们的新材料比钢轻五倍，但强四倍。所以，我们的玻璃纳米格子会比任何其他结构材料更适合用来制造一个改进版的钢铁侠战甲。”哥伦比亚大学的纳米材料科学家 Oleg Gang 说。

制备过程

功能纳米材料中心（CFN）是美国能源部科学办公室在布鲁克海文实验室的用户设施，该中心的材料科学家奥列格-甘（Oleg Gang）是哥伦比亚大学的教授，多年来他一直在利用 DNA 的独特性质进行材料合成，并取得了众多发现。这项新技术激发了一系列创新应用--从药物传输到电子产品。

Gang非常有兴趣探索如何增强普通材料（如玻璃）的机械性能，并在纳米尺度上对其进行结构化。

他们方法的关键在于利用玻璃本身固有的优势，是的，就是很容易碎裂的玻璃。玻璃之所以容易碎裂，在大多数情况下与其结构中存在的缺陷有关，比如裂缝或缺失的原子。然而，在最纯净、最完美的形式下，一小块玻璃可以承受足以压碎一些最坚固、最重的材料的压力。

然而，制作大块无瑕玻璃是极其困难的。这就是为什么当使用玻璃作为结构材料时，其厚度几乎总是小于一个微米。由于它比许多金属和陶瓷都轻，所以由这种纯净的纳米级玻璃制成的结构既坚固又轻盈。

科学家们使用了一层非常薄的二氧化硅玻璃（厚度仅约 5 纳米或几百个原子）来包裹 DNA 框架，留出内部空间，确保制成的材料超轻。在如此小的尺度上，玻璃对缺陷或瑕疵不敏感，从而提供了较大玻璃片所不具备的强度，因为较大的玻璃片会产生裂缝，导致玻璃破碎。研究小组想知道这种材料的强度到底有多大，这就需要一些非常专业的设备。

有一些简单的方法可以检查某样东西是否坚固。戳、推、靠在物体表面，观察它们的行为通常可以提供有用的信息。它们是弯曲、吱吱作响、倒扣，还是在压力下岿然不动？这是了解物体强度的一个简单而有效的方法，即使没有精确测量的工具。然而，如何按压一个小得看不见的物体呢？

米切尔森解释说：“为了测量这些微小结构的强度，我们采用了一种叫做纳米压痕的技术。"纳米压痕是一种在非常小的范围内进行的机械测试，使用的是一种可以施加和测量阻力的精密仪器。我们的样品只有几微米厚，约为千分之一毫米，因此无法用传统方法测量这些材料。利用电子显微镜和纳米压痕技术，我们可以同时测量机械行为和观察压缩过程。”

当微型装置压缩或压入样品时，研究人员可以进行测量并观察机械性能。然后，他们就能看到材料在释放压缩后恢复原状的过程中发生了什么变化。如果出现任何裂缝或结构在任何时候失效，都可以记录下这些宝贵的数据。

测试表明，玻璃涂层 DNA 晶格的强度是钢的四倍！更有趣的是，它的密度比钢低五倍。虽然有些材料既坚固又相当轻便，但从未达到过这种程度。

有望开启一个新的超材料时代

然而，这项研究目前仍处于实验室阶段，离实际应用还有很长的路要走。科学家们承认，他们需要进一步扩大这项技术的规模，并进行更深入的研究。

虽然在扩大这种材料的规模并考虑其无数的应用之前，仍有许多工作要做，但材料科学家仍有理由为这意味着什么而感到兴奋。研究小组计划研究比玻璃更坚固的其他材料，如碳化物陶瓷，看看它们是如何工作和表现的。这可能会在未来研制出更坚固的轻质材料。

虽然米切尔森的职业生涯还处于早期阶段，但他已经取得了很多成就，并且已经迫不及待地开始下一阶段的研究。

这一研究的结果引发了广泛的讨论和思考。有人认为，这种创新的材料有望开启一个新的超材料时代，为未来的科技发展提供巨大机遇。

尽管如此，无论如何，这种“DNA玻璃”仍然是一项令人振奋的突破。它不仅在科学上具有重大意义，还有望为我们创造出更先进、更轻便、更坚固的材料铺平道路。相信未来，我们将看到这个世界因这项创新而变得更加美好。

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