Имитатор зубной эмали

Строение зубной эмали достаточно однообразно у всех представителей мира живого, например у человека (слева) и динозавра Tyrannosaurus rex (в центре). Исследователям удалось имитировать эту наноструктуру в своем материале (справа)

Зубная эмаль — уникальный композитный материал, созданный природой. Она достаточно жесткая, чтобы зубы могли измельчать и перетирать все виды пищи, и при этом прочная. Многие пытались получить синтетический материал с подобными свойствами, но повторить инженерное решение природы пока никому не удавалось. После многочисленных проб и ошибок исследователи из США и Южной Кореи все же создали материал, который можно назвать точной копией прочнейшей биологической ткани («Nature», 2017, 543, 7643, 95—98, doi: 10.1038/nature21410).

Рукотворным материалам, если они прочны и устойчивы к деформации, как правило, не хватает жесткости — способности поглощать энергию, не разрушаясь. Материалы же, сотворенные природой, могут сочетать в себе прочность и жесткость за счет того, что в них комбинируются прочные неорганические и адсорбирующие энергию органические материалы. При этом, например, наноструктура костей скелета у разных видов животных различается (при близости физических свойств). А у эмали зубов человека, морского ежа, динозавров и других существ наноструктура поразительно схожа — вертикальные колонны жесткого неорганического материала, внедренного в матрицу из биополимера. Очевидно, такой тип наноструктуры дает значительные преимущества.

Гонка за получением синтетического аналога зубной эмали в случае успеха позволила бы получить материал, способный найти применение где угодно, от биомедицины до авиастроения. В нескольких работах приводились вполне убедительные доказательства того, что повторить колоннообразное строение природного материала невозможно. Американские и южнокорейские исследователи опровергли эти доказательства, разработав оригинальную методику синтеза. На первом этапе на подложку осаждали нанокристаллы оксида цинка, которые вырастали из раствора как сталагмиты и формировали систему нанопроводов, на втором пустоты между нанопроводами из оксида цинка заполняли полиаллиламином и полиакриловой кислотой — это позволяло получить один слой композитного материала. Затем снова выращивали лес из цинкоксидных нанопроводов и снова заполняли пустое пространство смесью полимеров. Как отмечает руководитель работы Николас Котов из Мичиганского университета, и первый, и второй этапы были известны ранее, но в комбинации их применили впервые, а именно это сочетание и позволило получить композит с желаемыми свойствами.

Авторы работы испытали новый композит в условиях как статического, так и динамического сдавливания (в последнем случае при различных частотах колебаний), и он успешно сопротивлялся всем воздействиям. По словам Котова, результаты испытаний показывают, что по своим прочностным характеристикам синтетический композитный материал ничем не уступает зубной эмали, а может быть, даже слегка превосходит ее. Новая методика может оказаться полезной и для синтеза других композитных материалов, состоящих из органических и неорганических составляющих.