Znajdź zawartość

Wytrzymałe i lekkie materiały są niezwykle pożądane w przemyśle i życiu codziennym. Mogą one udoskonalić wiele maszyn i przedmiotów, od samochodów przez implanty medyczne po kamizelki kuloodporne. Niestety wytrzymałość i niska masa zwykle nie idą w parze. Poszukujący rozwiązania tego problemu naukowcy z University of Connecticut, Columbia University i Brookhaven National Laboratory wykorzystali DNA i szkło. Dla tej gęstości jest to najbardziej wytrzymały znany materiał, mówi Seok-Woo Lee z UConn. Żelazo może wytrzymać nacisk do 7 ton na centymetr kwadratowy, jest jednak bardzo gęste i ciężkie. Znamy metale, jak tytan, które są lżejsze i bardziej wytrzymałe. Potrafimy też tworzyć stopy metali o jeszcze mniejszej masie i jeszcze większej wytrzymałości. Ma to bardzo praktyczne zastosowania. Na przykład najlepszym sposobem na zwiększenie zasięgu samochodu elektrycznego nie jest dokładanie akumulatorów, a zmniejszenie masy pojazdu. Problem w tym, że tradycyjne techniki metalurgiczne osiągnęły w ostatnich latach kres swoich możliwości, naukowcy szukają więc innych niż metale wytrzymałych i lekkich materiałów. Szkło, wbrew temu co sądzimy, jest wytrzymałym materiałem. Kostka szkła o objętości 1 cm3 może wytrzymać nacisk nawet 10 ton. Pod jednym warunkiem – szkło nie może posiadać wad strukturalnych. Zwykle pęka ono właśnie dlatego, że już istnieją w nim niewielkie pęknięcia, zarysowania czy brakuje atomów w jego strukturze. Wytworzenie dużych kawałków szkła pozbawionego wad jest niezwykle trudne. Naukowcy potrafią jednak tworzyć niewielkie takie kawałki. Wiedzą na przykład, że kawałek szkła o grubości mniejszej niż 1 mikrometr jest niemal zawsze bez wad. A jako że szkło jest znacznie mniej gęste niż metale czy ceramika, szklane struktury zbudowane kawałków szkła o nanometrowej wielkości powiny być lekkie i wytrzymałe. Dlatego też Amerykanie wykorzystali DNA, które posłużyło za szkielet, i pokryli je niezwykle cienką warstwą szkła o grubości kilkuset atomów. Szkło pokryło jedynie nici DNA, pozostawiając sporo pustych przestrzeni. Szkielet z DNA dodatkowo wzmocnił niewielką, pozbawioną wad, szklaną strukturę. A jako że spora jej część to puste przestrzenie, dodatkowo zmniejszono masę całości. W ten sposób uzyskano materiał, który ma 4-krotnie większą wytrzymałość od stali, ale jest 5-krotnie mniej gęsty. To pierwszy tak lekki i tak wytrzymały materiał. Możliwość projektowania i tworzenia trójwymiarowych nanomateriałów przy użyciu DNA otwiera niezwykłe możliwości przed inżynierią. Jednak potrzeba wielu badań, zanim możliwości te wykorzystamy w konkretnych technologiach, stwierdza Oleg Gang z Columbia University. Teraz naukowcy prowadzą eksperymenty z zastąpieniem szkła ceramiką opartą na węglikach. Planują przetestować różne struktury DNA i różne materiały, by znaleźć takie o najlepszych właściwościach. Jestem wielkim fanem Iron Mana. Zawsze zastanawiałem się, jak stworzyć lepszą zbroję dla niego. Musi być one bardzo lekka, by mógł szybciej latać i bardzo wytrzymała, by chroniła go przed atakami wrogów. Nasz nowy materiał jest pięciokrotnie lżejszy i czterokrotnie bardziej wytrzymały od stali. Nasze szklane nanostruktury byłyby lepsze dla Iron Mana niż jakikolwiek inny materiał, stwierdził Lee. « powrót do artykułu

Nosoderma diabolicum, chrząszcz zamieszkujący zachodnie wybrzeża USA ma, podobnie jak jego kuzyni z podrodziny Zopherinae, jeden z najbardziej wytrzymałych egzoszkieletów występujących w przyrodzie. Dlatego też bez trudu może przeżyć przejechanie przez samochód, a ptaki czy gryzonie rzadko mogą się nim pożywić. Przetrwanie Nosoderma diabolicum, zwanego diabolicznym chrząszczem pancernym, zależy od jego umiejętności udawania martwego oraz od niezwykłego pancerza. Chrząszcz nie lata, nie jest też szybkobiegaczem. Gdy złapie go drapieżnik, udaje martwego i cierpliwie czeka, aż drapieżnikowi znudzą się próby przebicia pancerza. Naukowcy z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Irvine (UCI) i innych instytucji badawczych określili właśnie skład oraz budowę niezwykłego pancerza i wykazali, że współczesna inżynieria może skorzystać na tych doświadczeniach. Wszystko zaczęło się w 2015 roku, gdy świeżo upieczony magister Jesus Rivera, pracujący w uniwersyteckim laboratorium profesora Davida Kisailusa, zwiedzał muzeum entomologiczne na University of California Riverside. Tam dowiedział się o istnieniu diabolicznego chrząszcza pancernego. Młody uczony pozbierał więc chrząszcze znalezione wokół uniwersyteckiego kampusu i zaczął prowadzić na nich eksperymenty. Okazało się, że zwierzę jest w stanie przetrwać nacisk o 39 000 razy większy od jego własnej wagi. To tak, jakby 70-kilogramowy człowiek był w stanie przeżyć pod położonym na nim betonowym blokiem o wadze 2730 ton. Rivera i Disailus wykorzystali mikroskopy i spektroskopy do przeanalizowania budowy pancerza Nosoderma diabolicum. Odkryli, że tajemnica niezwykłej wytrzymałości tkwi w architekturze egzoszkieletu, szczególnie zaś w elytronie. U chrząszczy latających elytry, czyli pokrywy, tworzą pierwszą parę skrzydeł – tę stwardniałą – służących do ochrony drugiej, błoniastej pary. U nielotnych chrząszczy pancernych eltyron wyewoluował tak, by tworzyć stałą ochronną powłokę. Kisailus i Rivera wykazali, że elytron Nodoserma diabolicum składa się z warstw chityny oraz matrycy białkowej. Amerykanie, wraz z grupą japońskich naukowców z Tokijskiego Uniwersytetu Rolnictwa i Technologii przeanalizowali skład chemiczny egzoszkieletu chrząszczy latających i porównali go z egzoszkieletem diabolicznego chrząszcza pancernego. Okazało się, że zewnętrzna warstwa egzoszkieletu Nosoderma diabolicum ma znacznie większą koncentrację protein, dochodzącą do 10% wagi. Zbadano też szew łączący u N. diabolicum obie połówki elytry. Uczeni zauważyli, że jego struktura przypomina szczepione ze sobą puzzle. Za pomocą specjalnie zbudowanego urządzenia naukowcy obserwowali, jak ten szew zachowuje się pod naciskiem. Odkryli, że – wbrew temu, co można się było spodziewać – wypustki „puzzli” nie łamią się w najwęższym miejscu, ale przy nacisku, dochodzi do delaminacji. Gdy rozrywamy puzzle, oczekujemy, że oderwie się najwęższa część wypustki. Jednak u tych chrząszczy nie obserwowaliśmy takiego katastrofalnego zjawiska. Zamiast tego dochodziło do delaminacji, czyli znacznie łagodniejszego uszkodzenia struktury, mówi Kisailus. Zauważono też, że warstwy zawierają microtrichia, miniaturowe włoski zapobiegające ześlizgiwaniu się warstw. Profesor Kisailus wysłał Riverę do Lawrence Berkeley National Laboratory, gdzie przy pomocy specjalistów pracujących przy Advanced Light Source można było przeprowadzić obserwacje zmian struktury pancerza poddanego naciskowi, wykorzystując przy tym potężne źródło promieniowania rentgenowskiego. Badania potwierdziły wcześniejsze spostrzeżenia dotyczące zarówno geometrii jak i reakcji na nacisk pancerza. Uczeni już przystąpili do prac nad wykorzystaniem swoich spostrzeżeń przy produkcji bardziej wytrzymałych materiałów na potrzeby przemysłu lotniczego. Badania są finansowane przez US Air Force, US Army Research Office oraz Departament energii i Tokijski Uniwersytet Rolnictwa i Technologii. « powrót do artykułu

Ironman, ultramaraton w Dolinie Śmierci czy wyścig Tour de France testują granice ludzkiej wytrzymałości. Niektórzy twierdzą, że granice te istnieją jedynie w głowie, jednak naukowcy właśnie określili, gdzie się one znajdują. Uczeni z Duke University, badając wydatki energetyczne osób biorących udział w najbardziej wymagających wydarzeniach sportowych, stwierdzili, że u każdego człowieka występuje ten sam limit metaboliczny, czyli maksymalny poziom wysiłku, jaki może on długoterminowo wytrzymać. Okazuje się, że w przypadku wysiłku fizycznego trwającego całymi dniami, tygodniami i miesiącami, człowiek może spalać kalorie w tempie nie przekraczającym 2,5-krotności tempa spalania kalorii w czasie spoczynku. Uczeni zauważyli, że nawet najlepiej wytrenowany ultramaratończyk nie jest w stanie przekroczyć tej granicy. To definiuje możliwości fizyczne człowieka, mówi współautor badań, profesor antropologii ewolucyjnej Herman Pontzer. Gdy przekraczamy wspomnianą granicę 2,5-krotności zużycia kalorii w spoczynku, organizm zaczyna rozkładać własne tkanki, by uzupełnić deficyt energii. Naukowcy uważają, że granica wydolności jest określana przez zdolność jelit to przyswajania pokarmu. To zaś oznacza, że nawet jeślibyśmy więcej jedli podczas wzmożonego wysiłku, nie jesteśmy w stanie przesunąć tej magicznej granicy. Po prostu istnieje górny pułap kalorii, jakie może przyswoić nasz układ pokarmowy, mówi Pontzer. W ramach swoich badań naukowcy przyjrzeli się grupie biegaczy biorących udział w 2015 Race Across the USA. To liczący niemal 5000 kilometrów bieg z Kalifornii do Waszyngtonu. Uczestnicy biegną przez 5 miesięcy pokonując co tydzień trasę 6 maratonów. Pod uwagę wzięto też inne wymagające energetycznie przedsięwzięcia, jak np. 100-milowe ultramaratony górskie czy ciążę. Gdy przeanalizowano dane na temat wydatków energetycznych w czasie okazało się, że początkowy wysiłek metaboliczny był wysoki, jednak z czasem nieuchronnie spadał do poziomu 2,5-krotności wysiłku metabolicznego w czasie spoczynku i pozostawał na tym poziomie do końca. Naukowcy analizowali też próbki moczu pobrane od zawodników na początku i na końcu Race Across the USA. Okazało się,że po 20 tygodniach biegu sportowcy spalali dziennie o 600 kalorii mniej niż można się było tego spodziewać po długości przebytej trasy. To sugeruje, że organizm celowo ogranicza metabolizm, by utrzymać go na poziomie koniecznym do przetrwania. To wspaniały przykład ograniczenia wydatkowania energii, gdzie organizm ma ograniczone możliwości odnośnie maksymalnych poziomów wysiłku przez dłuższy czas, mówi współautorka badań, Caitlin Thurber. Możemy biec sprintem przez 100 metrów, ale spokojnym tempem przebiegniemy wiele kilometrów, prawda? Ta zasada działa również tutaj, dodaje profesor Pontzer. Analiza wydatków energetycznych we wszystkich przypadkach długotrwałego wysiłku dawała taki sam wykres w kształcie litery L. Niezależnie od tego czy analizowano podróż po mroźnej Antarktydzie, gdzie uczestnicy całymi dniami ciągnęli ważące setki kilogramów sanie, czy też odbywający się w upale Tour de France. Takie wyniki zaś stawiają pod znakiem zapytania pojawiające się wcześniej tezy, których autorzy wiązali wytrzymałość człowieka ze zdolnością do regulowania temperatury organizmu. Co interesujące, maksymalne możliwe wydatki energetyczne wytrenowanych ultramaratończyków były jedynie nieco wyższe niż maksymalne poziomy metaboliczne kobiet w ciąży. To zaś sugeruje, że ten sam mechanizm, który ogranicza wydolność sportowców  może wpływać na inne aspekty życia, jak na przykład na maksymalne rozmiary dziecka w łonie matki. « powrót do artykułu