Μια νέα μορφή ενισχυμένου πάγου θα μπορούσε να αποτελέσει ένα ασυνήθιστο δομικό υλικό για ακραία πολικά περιβάλλοντα αν και παραμένουν ερωτήματα σχετικά με τη μακροχρόνια ανθεκτικότητά του.
Αυτός ο πάγος προσεγγίζει την αντοχή του συμβατικού σκυροδέματος στη συμπίεση ενώ παράλληλα αντιστέκεται στις απότομες θραύσεις που καθιστούν το συνηθισμένο πάγο τόσο εύθραυστο. Το υλικό γνωστό ως BioPykrete είναι περίπου 10 φορές ανθεκτικότερο από τον καθαρό πάγο υπό συμπίεση και μπορεί να απορροφήσει περίπου 70 φορές περισσότερη ενέργεια προτού σπάσει.
Αντί να θρυμματίζεται όταν οι ρωγμές εξαπλώνονται στο εσωτερικό του ο ενισχυμένος πάγος μπορεί να παραμορφώνεται και να θραύεται πιο σταδιακά. Το υλικό αποκτά τις ασυνήθιστες ιδιότητές του χάρη στους νανοκρυστάλλους κυτταρίνης, μικροσκοπικά, άκαμπτα σωματίδια που προέρχονται από τη φυσική ουσία η οποία συμβάλλει στη δομική αντοχή των φυτών. Καθώς το υλικό παγώνει, τα σωματίδια αυτά σχηματίζουν ένα τρισδιάστατο δίκτυο γύρω από μικροσκοπικές περιοχές πάγου.
Για να ενισχύσουν τη σύνδεση μεταξύ των δύο υλικών οι ερευνητές σχεδίασαν μια πρωτεΐνη με ξεχωριστές περιοχές που προσκολλώνται στον πάγο και στην κυτταρίνη. Αυτή η μοριακή γέφυρα αγκυρώνει το ενισχυτικό δίκτυο στον πάγο δημιουργώντας μια πιο συνεκτική δομή.
Η προσθήκη της πρωτεΐνης διπλασίασε τόσο την αντοχή όσο και την ικανότητα απορρόφησης ενέργειας, σε σύγκριση με ένα παρόμοιο μείγμα που περιείχε κυτταρίνη αλλά όχι τη σχεδιασμένη πρωτεΐνη.
«Θέλαμε να προχωρήσουμε πέρα από την απλή ανάμειξη ινών με τον πάγο και να ελέγξουμε τον τρόπο με τον οποίο συνδέονται τα διαφορετικά υλικά σε μοριακό επίπεδο. Το αποτέλεσμα αλλάζει όχι μόνο την αντοχή του πάγου, αλλά και τον τρόπο με τον οποίο θραύεται. Αντί να διαλύεται ξαφνικά, μπορεί να απορροφά πολύ περισσότερη ενέργεια και να παραμορφώνεται σταδιακά» αναφέρουν οι ερευνητές.
Γιατί ο ενισχυμένος πάγος αντιστέκεται στις ρωγμές
Ο συνηθισμένος πάγος μπορεί να αστοχήσει απότομα, επειδή οι μικρές ρωγμές εξαπλώνονται γρήγορα μέσα στην κρυσταλλική δομή του. Στο BioPykrete, το δίκτυο κυτταρίνης δημιουργεί εμπόδια που μπορούν να διακόψουν ή να αλλάξουν την πορεία των ρωγμών καθώς αυτές προχωρούν.
Οι ερευνητές εκτιμούν ότι οι πρωτεϊνικές συνδέσεις καθιστούν αυτό το δίκτυο πιο ανθεκτικό στην παραμόρφωση και τη ρήξη, αυξάνοντας την ενέργεια που απαιτείται για την εξάπλωση των ρωγμών.
Η ιδέα βασίζεται σε ένα ασυνήθιστο πείραμα του Β΄ Παγκοσμίου Πολέμου. Τότε επιστήμονες ανέπτυξαν το Pykrete ένα μείγμα πάγου και ξυλοπολτού το οποίο ήταν ισχυρότερο και έλιωνε πιο αργά από τον απλό πάγο. Το BioPykrete ακολουθεί την ίδια γενική προσέγγιση αλλά αντικαθιστά τις συμβατικές ίνες ξύλου με ενισχυτικά υλικά νανοκλίμακας και ειδικά σχεδιασμένες μοριακές συνδέσεις, με στόχο τη βελτίωση των μηχανικών ιδιοτήτων του.
Θα μπορούσε ο ενισχυμένος πάγος να χρησιμοποιηθεί ως δομικό υλικό;
Οι ερευνητές βλέπουν πιθανές εφαρμογές στις αρκτικές και ανταρκτικές περιοχές όπου η μεταφορά συμβατικών οικοδομικών υλικών όπως το σκυρόδεμα και ο χάλυβας μπορεί να είναι δαπανηρή και να παρουσιάζει σημαντικές εφοδιαστικές δυσκολίες. Επειδή το BioPykrete αποτελείται κυρίως από πάγο και κυτταρίνη φυτικής προέλευσης θα μπορούσε στο μέλλον να προσφέρει μια βιοδιασπώμενη εναλλακτική λύση με μικρότερο αποτύπωμα άνθρακα για ορισμένες κατασκευές σε εξαιρετικά ψυχρές περιοχές.
Ωστόσο το υλικό παραμένει σε πειραματικό στάδιο και αποτελεί ακόμη μια απόδειξη της τεχνικής εφικτότητας της ιδέας. Οι εντυπωσιακές επιδόσεις του στο εργαστήριο δεν αποδεικνύουν ότι μπορεί να αντέξει επί σειρά ετών σε πραγματικές κατασκευές. Οι ερευνητές πρέπει ακόμη να διερευνήσουν πώς αντιδρά το υλικό στους επαναλαμβανόμενους κύκλους ψύξης και απόψυξης, στη μακροχρόνια φόρτιση και στη σταδιακή παραμόρφωση υπό συνεχή πίεση.
Μελλοντικά πειράματα θα εξετάσουν πώς αναπτύσσονται οι ρωγμές στο εσωτερικό της ενισχυμένης δομής και κατά πόσο διαφορετικές πρωτεΐνες ή τεχνικές κατάψυξης μπορούν να βελτιώσουν περαιτέρω τις ιδιότητές της. Οι δοκιμές αυτές θα βοηθήσουν να διαπιστωθεί αν το BioPykrete μπορεί να περάσει από τα εργαστηριακά δείγματα σε πρακτικές εφαρμογές στον κατασκευαστικό τομέα.
