Ученым удалось модифицировать белок, содержащийся в человеческих клетках, и создать новый ударопоглощающий материал, который при попадании в него снаряда "мягко" улавливает объект и сохраняет его в целости и сохранности.
(Not all materials can stop projectiles. Journal Newscientist, Harold E. Edgerton/Smithsonian American Art Museum.)
Гель из белка, обнаруженного в человеческих клетках, способен захватывать частицы, летящие со сверхзвуковой скоростью, не разрушая их при ударе, что позволяет использовать этот материал в бронежилетах или в технологиях для сбора космического мусора.
Клетки нашего организма содержат белок, называемый талин, который помогает им чувствовать и ориентироваться в окружающей среде, изменяя структуру в ответ на воздействие внешних сил. Бенджамин Гоулт и его коллеги из Кентского университета (Великобритания) изготовили гель на основе талины, который после попадания в него снаряда изменяет свою структуру, позволяя извлечь предмет невредимым.
Каждая молекула талина имеет 13 "переключателей", которые разворачиваются в момент приложения силы, а после прекращения воздействия снова сворачиваются, тем самым поглощая энергию удара ", - говорит Гоулт.
Команда создала рекомбинантную форму талина, которая состояла из трех модифицированных "переключателей", затем соединила молекулы вместе с помощью воды и желирующего вещества, сформировав таким образом структуру, похожую на сетку.
"Когда что-либо врезается в гель, полученная энергия разворачивает модифицированные переключатели талина, а не преобразуется в тепло, как это происходит с обычными материалами", - рассказывает Гоулт. "Силикагели, насыщенные воздухом, или аэрогели, ранее уже использовались для захвата небольших объектов в космосе, но они нагреваются во время удара, что может повредить как их самих, так и захватываемые предметы".
Для проверки своего изобретения исследователи использовали специальный механизм. Эксперты стреляли частицами базальта шириной от 20 до 70 микрометров в образцы гелиевого материала, расположенных перед алюминиевой пластиной. Несмотря на то, что скорость движения частиц была сверхзвуковой - 1,5 километра в секунду (почти 4,5 Маха), не одна из них не достигла пластины.
Точно такие же частицы полностью разрушили контрольный гель из поливинилпирролидона (водорастворимый полимер, используемый в фармацевтических технологиях и хирургии, в частности, в контактных линзах и костных имплантатов) и оставили на алюминиевой пластине вмятины диаметром 1,33 миллиметра.
Когда, исследователи извлекли частицы базальта из талинового геля, они обнаружили, что форма " шрапнели" полностью сохранилась. "Наш материал идеально поймал и "обнял" кусочки базальта... прекрасно его сохранив", - говорит член команды Дженнифер Хискок.
В настоящее время исследователи сотрудничают с одной из компаний, которая планирует использовать новый гель в качестве компонента бронежилетов.
"Когда талин находится в развернутом состоянии, к нему могут присоединяться другие белки. Если такие полипептиды пометить флуоресцентными маркерами, то можно легко идентифицировать поврежденные участки брони", - считает Гоулт.
Исследование сверхзвукового удара по TSAM (Talin Shock Absorbing Material).
a). РЭМ-изображение базальтовой частицы, используемой в качестве снаряда, а также демонстрация процесса загрузки базальта в гильзу и его высвобождения во время выстрела (масштаб штриха = 60 мкм). b). Схема устройства газовой пушки с описанием основных этапов после выстрела. c) Изображение TSAM и его подготовка в качестве мишени. TSAM помещается в мишень, изготовленную из алюминия (Al 5083). d-f. результаты контрольного геля d). Разрушенный контрольный гель после удара базальтовым снарядом на скорости 1,5 км/с. e) отверстие, образовавшееся в мишени от базальтового снаряда. f) воронка, образовавшаяся в алюминиевой мишени. g-I. результаты TSAM g) После удара базальтовым снарядом на скорости 1,5 км/с TSAM практически не пострадал. h) результаты TSAM. лента без отверстия, содержащая несколько уловленных базальтовых частиц в прозрачном TSAM. i). неповрежденная алюминиевая пластина. j) РЭМ-изображение неповрежденной базальтовой частицы, уловленной TSAM после удара на скорости 1,5 км/с. ( масштаб штриха = 45 мкм) k). РЭМ-изображение другой базальтовой частицы, захваченной TSAM после удара со скоростью 1,5 км/с. (масштаб штриха = 30 мкм) l. РЭМ-изображение фрагмента алюминиевого (Al 7075) разрывного диска, который ударил TSAM во время базальтового выстрела со скоростью 1,5 км/с (масштаб штриха = 50 мкм).
Аннотация к исследованию
Материалы, рассеивающие энергию в экстремальных условиях, необходимы для решения целого ряда задач. Для обеспечения безопасности личного состава армии и полиции требуется баллистическая защита, а для аэрокосмической промышленности - материалы, позволяющие захватывать, сохранять и изучать сверхскоростные объекты. Однако современные промышленные стандарты имеют, по крайней мере, одно существенное ограничение. Чтобы избежать этих проблем, ученые обратились к природе, используя белки, которые эволюционировали на протяжении тысячелетий, чтобы эффективно рассеивать энергию. В частности, рекомбинантная форма механочувствительного белка талина была интегрирована в мономерный блок и сплетена воедино. В результате был создан первый зарегистрированный образец талинового амортизирующего материала (TSAM). При воздействии сверхзвуковых выстрелов на скорости 1,5 км/с было продемонстрировано, что TSAM не только поглощает удар, но и аккуратно улавливает и сохраняет снаряд, что делает TSAM первым белковым материалом, достигшим этой цели.
Источники и ссылки: Journal Newscientist, bioRxiv, Wikipedia
DOI: 10.1101/2022.11.29.518433v1
1. (https://en.wikipedia.org/wiki/Talin_(protein))
2. (https://ru.wikipedia.org/wiki/Поливинилпирролидон)
3. (https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2022.11.29.518433v1)
4. (https://www.newscientist.com/article/2350814-biogel-armour-can-stop-a-supersonic-projectile-in-its-tracks/)
