ماده زیستی جدید با یخ و نانوکریستال سلولزی ساخته شد

به گزارش صما، پژوهشگران دانشگاه عبری اورشلیم ماده‌ای زیستی به نام «بایوپایکریت» (BioPykrete) توسعه داده‌اند که با تقویت ساختار یخ در مقیاس مولکولی، مقاومت مکانیکی آن را به‌طور چشمگیری افزایش می‌دهد. این ماده با هدف بررسی امکان استفاده از مصالح زیستی و کم‌اثر بر محیط‌زیست در پروژه‌های ساختمانی، به‌ویژه در مناطق دورافتاده و بسیار سرد، طراحی شده است.

چگونه یخ معمولی به ماده‌ای مقاوم تبدیل شد؟

ایده تقویت یخ برای ساخت‌وساز سابقه‌ای قدیمی دارد. در جریان جنگ جهانی دوم، نیروی دریایی بریتانیا طرحی را برای ساخت ناو هواپیمابر از ترکیب یخ و خمیر چوب بررسی کرد. این ماده که «پایکریت» (Pykrete) نام داشت، در صورت حفظ دمای انجماد می‌توانست استحکامی نزدیک به بتن داشته باشد؛ اما این پروژه در نهایت به دلیل افزایش هزینه‌ها و فراهم شدن گزینه‌های مناسب‌تر کنار گذاشته شد.

پژوهشگران در مطالعه جدید، این ایده را با استفاده از فناوری‌های زیستی و مهندسی مواد توسعه داده‌اند. برخلاف روش قدیمی که از الیاف نسبتاً درشت خمیر چوب استفاده می‌کرد، در ساخت بایوپایکریت از نانوکریستال‌های سلولزی و پروتئینی ویژه برای تقویت ساختار یخ بهره گرفته شده است. سلولز، ماده اصلی سازنده ساختار گیاهان، در شکل نانوکریستالی می‌تواند نقش عامل تقویت‌کننده را ایفا کند و مانع گسترش آسان ترک‌ها در ماده شود.

پروتئین مهندسی‌شده این ترکیب نیز با نام CBM3a-AFPIII، از ترکیب یک پروتئین ضدیخ و بخشی متصل‌شونده به کربوهیدرات ساخته شده است. این پروتئین مانند یک چسب مولکولی عمل می‌کند و به اتصال نانوکریستال‌های سلولزی به ساختار یخ کمک می‌کند.

مقاومت بیشتر؛ شکست دیرتر

به گفته ایدو براسلاوسکی، زیست‌شیمی‌دان دانشگاه عبری اورشلیم، هدف پژوهشگران صرفاً افزودن مواد تقویت‌کننده به یخ نبود، بلکه آن‌ها می‌خواستند نحوه اتصال اجزا را در سطح مولکولی کنترل کنند.

نتیجه این رویکرد، تنها افزایش استحکام نیست؛ بلکه شیوه شکست ماده نیز تغییر می‌کند. برخلاف یخ معمولی که ممکن است به‌طور ناگهانی ترک بخورد و بشکند، بایوپایکریت می‌تواند انرژی بیشتری جذب کند و پیش از شکست، تغییر شکل تدریجی‌تری داشته باشد.

بر اساس نتایج گزارش‌شده، این ماده در مقایسه با یخ معمولی ۱۰ برابر مقاوم‌تر است و توانایی جذب انرژی آن پیش از شکست به ۷۰ برابر می‌رسد. این ویژگی‌ها می‌توانند در طراحی موادی که باید در برابر فشار و ضربه مقاومت کنند، اهمیت داشته باشند.

یکی از کاربردهای احتمالی بایوپایکریت، ساخت سازه‌ها در مناطق بسیار سرد و دورافتاده، از جمله بخش‌هایی از قطب شمال و جنوب، است؛ مناطقی که انتقال مصالح متداول و اجرای روش‌های معمول ساخت‌وساز در آن‌ها دشوار است.

از آنجا که مواد اصلی این ترکیب یخ و سلولز گیاهی هستند، این فناوری در صورت توسعه می‌تواند به تولید مصالحی با وابستگی کمتر به بتن و فولاد و ردپای کربنی پایین‌تر کمک کند. زیست‌تخریب‌پذیری نیز از دیگر مزیت‌های بالقوه این رویکرد به شمار می‌رود.

بااین‌حال، استفاده عملی از این ماده در ساختمان‌سازی هنوز به مراحل بیشتری از پژوهش نیاز دارد. مطالعه فعلی در مقیاس کوچک و با هدف اثبات امکان‌پذیری این فناوری انجام شده است و دوام ماده در طول زمان، عملکرد آن در شرایط محیطی متغیر و سازوکار دقیق گسترش ترک‌ها باید بیشتر بررسی شود.

پژوهشگران همچنین قصد دارند با اصلاح ترکیب پروتئین‌ها و بهینه‌سازی فرایند انجماد، مقاومت این ماده را افزایش دهند.

در صورت موفقیت تحقیقات آینده، این شیوه مهندسی مواد می‌تواند فراتر از ساخت‌وساز، در حوزه‌هایی مانند بسته‌بندی و توسعه مواد زیستی جدید نیز کاربرد پیدا کند؛ هرچند تحقق این چشم‌انداز به اثبات عملکرد و دوام بایوپایکریت در شرایط واقعی وابسته است.

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