研究人员构建了DNA结构并用玻璃包裹它创造了一种密度极低强度极高的材料

既坚固又轻质的材料可以改善从汽车到防弹衣的一切。但通常，这两种品质是相互排斥的。现在，康涅狄格大学的研究人员和同事使用两种不太可能的构建模块：DNA和玻璃，开发出了一种极其坚固、轻质的材料。

康涅狄格大学材料科学家Seok-WooLee表示：“对于给定的密度，我们的材料是已知最强的。”Lee及其来自康涅狄格大学、哥伦比亚大学和布鲁克海文国家实验室的同事于7月19日在《细胞报告物理科学》上报告了详细信息。

强弱是相对的。例如，铁每平方厘米可承受七吨压力。但它也非常致密和重，重7.8克/立方厘米。其他金属，例如钛，比铁更坚固、更轻。某些结合多种元素的合金甚至更坚固。坚固、轻质的材料可以实现轻质防弹衣、更好的医疗设备，并制造出更安全、更快的汽车和飞机。

例如，延长电动汽车续航里程的最简单方法不是增大电池，而是在不牺牲安全性和使用寿命的情况下减轻车辆本身的重量。但近年来，传统冶金技术已达到极限，材料科学家必须发挥更大的创造力来开发新型轻质高强度材料。

现在，Lee和同事报告说，通过用DNA构建结构，然后用玻璃涂覆它，他们创造了一种密度非常低、强度非常高的材料。玻璃似乎是一个令人惊讶的选择，因为它很容易破碎。然而，玻璃通常会因其结构中的缺陷而破碎，例如裂纹、划痕或原子缺失。一立方厘米完美无瑕的玻璃可以承受10吨压力，是上个月泰坦尼克号附近海洋之门泰坦潜水器内爆压力的三倍多。

制造一块没有缺陷的大玻璃是非常困难的。但研究人员知道如何制造非常小的完美碎片。只要玻璃厚度小于一微米，它几乎总是完美无瑕的。由于玻璃的密度远低于金属和陶瓷，因此任何由无瑕纳米级玻璃制成的结构都应该坚固且轻质。

该团队创建了一种自组装DNA结构。与Magnatiles类似，具有特定长度和化学性质的DNA片段会自行组合成材料的骨架。想象一下由DNA制成的房屋或建筑物的框架。

哥伦比亚大学和布鲁克海文功能纳米材料中心的纳米材料科学家OlegGang和AaronMickelson随后在DNA上涂上了一层非常薄的玻璃状材料，厚度只有几百个原子。玻璃仅覆盖了DNA链，使大部分材料体积成为空的空间，就像房屋或建筑物内的房间一样。

DNA骨架强化了薄而完美的玻璃涂层，使该材料非常坚固，而构成该材料大部分体积的空隙使其重量轻。因此，玻璃纳米晶格结构的强度比钢高四倍，但密度却比钢低五倍。这种轻质和高强度的不同寻常的结合以前从未实现过。

Gang表示：“使用DNA创建设计的3D框架纳米材料并矿化它们的能力为工程机械性能带来了巨大的机会。但在我们将其用作技术之前，我们仍需要进行大量的研究工作。”

该团队目前正在研究相同的DNA结构，但用更坚固的碳化物陶瓷代替玻璃。他们计划对不同的DNA结构进行实验，看看哪种材料最坚固。

基于相同概念的未来材料作为车辆和其他优先考虑强度的设备的节能材料具有广阔的前景。Lee相信，DNA折纸纳米结构将开辟一条新途径，创造出我们以前从未想象过的更轻、更强的材料。

“我是钢铁侠电影的忠实粉丝，我一直想知道如何为钢铁侠打造更好的盔甲。它必须非常轻，才能让他飞得更快。它必须非常坚固，才能保护他免受敌人的攻击。我们的新材料比钢轻五倍，但强度是钢的四倍。因此，我们的玻璃纳米晶格将比任何其他结构材料更好地为钢铁侠打造改进的装甲。”