Учёные из Тель-Авивского университета совершили настоящий прорыв в материаловедении, создав новый вид стекла с уникальными свойствами. Этот инновационный материал образуется спонтанно при контакте с водой при комнатной температуре, обладает высокой клейкостью, оставаясь при этом прозрачным, и даже способен самовосстанавливаться в случае повреждений. По мнению исследователей, открытие может привести к революционным изменениям в таких областях, как оптика, электрооптика, спутниковая связь, дистанционное зондирование и биомедицина. Возможно, благодаря этому открытию нам больше не придётся переживать из-за разбитых экранов смартфонов или сломанных очков.
Открытие, произошедшее случайно
За этим открытием стоит группа учёных под руководством докторантки Галь Финкельштейн-Зута, доктора Зоара Арнона и профессора Эхуда Газита. Исследование проводилось на базе Школы биомедицинских исследований и исследований рака имени Шмуниса, а также кафедры науки и материаловедения факультета инженерии Тель-Авивского университета.
Интересно, что уникальные свойства нового стекла были обнаружены случайно, когда учёные изучали поведение небольших молекул – пептидов, состоящих из тирозина, одной из двадцати аминокислот, входящих в состав белков в организме человека. Неожиданные результаты этого исследования были недавно опубликованы в престижном научном журнале Nature.
«В нашей лаборатории мы занимаемся биоконвергенцией – междисциплинарной областью, объединяющей биологию с инженерными науками для решения проблем в медицине, сельском хозяйстве, пищевой промышленности, энергетике и безопасности», – объясняет профессор Газит. «Мы исследуем аминокислотные последовательности – строительные блоки белков, и обнаружили уникальный пептид, который ведёт себя не так, как другие: вместо образования упорядоченных структур он остаётся аморфным, как стекло».
Уникальные свойства стекла
На молекулярном уровне стекло представляет собой материал, структура которого напоминает жидкость, но при этом обладает механическими характеристиками твёрдого тела. В традиционном стекольном производстве материал получают путём быстрого охлаждения расплавленных веществ, чтобы предотвратить их кристаллизацию. Это аморфное состояние придаёт стеклу его уникальные оптические, химические и механические свойства, а также прочность и устойчивость.
Учёные из Тель-Авивского университета обнаружили, что пептид, состоящий из трёх молекул тирозина (YYY), способен самостоятельно образовывать молекулярное стекло при контакте с водой при комнатной температуре.
«Обычное стекло получают путём быстрого охлаждения расплавленных материалов, что требует больших затрат энергии», – рассказывает Галь Финкельштейн-Зута. «В отличие от этого, наше биологическое стекло формируется спонтанно при обычных условиях, без необходимости нагрева и последующего резкого охлаждения. Достаточно просто растворить порошок в воде – как будто вы готовите ягодный напиток».
Одной из примечательных особенностей нового материала является возможность быстрого создания линз. «Вместо сложного процесса изготовления линз и их полировки мы просто капаем раствор на поверхность, и он сам принимает форму линзы», – объясняет учёная. Причём параметры фокусировки такой линзы можно легко изменять, регулируя объём раствора.
Перспективы применения
Новое стекло обладает рядом противоречивых, на первый взгляд, свойств: оно одновременно очень твёрдое, но в то же время способно к самовосстановлению; оно сильно прилипает к различным поверхностям, оставаясь при этом невероятно прозрачным в широком спектре длин волн – от видимого света до среднего инфракрасного диапазона. Последнее свойство делает его особенно привлекательным для оптических технологий.
«Это первый случай, когда удалось создать молекулярное стекло в таких простых условиях», – подчёркивает профессор Газит. «Но не менее важны его характеристики. Оно невероятно прочное и при этом значительно более прозрачное, чем обычное силикатное стекло, которое пропускает только видимый свет. Наше стекло прозрачно и в глубоком инфракрасном диапазоне, что делает его полезным в спутниковых технологиях, дистанционном зондировании, связи и оптике».
В настоящее время исследователи уже сотрудничают с израильской компанией El-Op, которая занимается разработкой электрооптических систем. Благодаря высокой адгезии нового стекла, его можно использовать для склеивания различных стеклянных поверхностей, а способность к самовосстановлению открывает перед ним широкие перспективы в инженерии и науке.
«Такого сочетания свойств нет ни у одного другого стекла в мире», – утверждает профессор Газит. «И всё это – благодаря пептиду, маленькому фрагменту белка».
Учитывая широчайший потенциал нового стекла, можно ожидать, что в ближайшие годы оно найдёт применение в самых разных сферах – от бытовых устройств до передовых технологий в аэрокосмической и медицинской промышленности.
