要約:
第二次世界大戦中、連合国は、氷と木材パルプを混合したパイクリートと呼ばれる複合材料を使用して、巨大な耐爆発性氷空母を建造するという奇抜なアイデアを提案しました。この歴史的な仮定に触発され、科学研究者らは現在、現代のナノテクノロジーとバイオベースの複合構造によって性能が質的に飛躍した「スーパーアイス」と呼ばれる新しい工学建築材料の開発に成功した。その圧縮強度は通常の氷の約10倍で、割れやすいという従来の氷の致命的な弱点を完全に克服しました。
極寒の地域では非常に豊富で安価な天然資源である氷は、その高い脆性のために、信頼性の高い耐荷重構造材料として使用することが長い間困難でした。通常の純氷はある程度の硬さはありますが、衝撃や不均一な力が加わると内部の微細な亀裂が猛スピードで広がり、前触れもなく一瞬にして構造全体が壊滅的に粉砕されます。第二次世界大戦中のパーカーライトは、繊維が亀裂の伝播を防ぐことができることを証明しましたが、その微視的な結合強度と物理的特性は、当時の技術的条件によりまだ粗かったです。
この材料力学のボトルネックを完全に克服するために、科学研究チームは分子およびナノスケールから開始し、植物セルロース (ナノセルロース結晶など) と特殊なタンパク質分子を正確な割合で水に統合し、凍結および結晶化しました。水分子の凍結プロセス中に、これらの高度に分散した生物学的ナノファイバーが氷の結晶粒子の間に散在し、絡み合って、高密度の三次元強化ネットワークを形成します。同時に、タンパク質分子は界面で強力な分子間接着を提供し、氷の結晶内部の微小亀裂の継続的な侵入と制御されない拡大を効果的に防ぎます。
機械試験データによると、この新しいタイプの「スーパーアイス」の圧縮限界は通常の氷の約 10 倍であり、これは一部のエンジニアリンググレードのセメントモルタルの機械的支持能力に匹敵します。さらに画期的なのはその靭性です。実験により、この材料は完全に割れて破壊される前に、通常の氷の 70 倍の機械的衝撃エネルギーを完全に吸収できることが確認されました。表面が激しい打撃によって損傷した場合でも、内部の絡み合ったナノファイバーがマトリックスを「固定」し、強靭な複合材料と同様の漸進的な変形特性を示し、従来の氷の崩壊や粉砕の脆弱な特性に完全に別れを告げます。
この材料は、優れた物理的および機械的強度に加えて、純粋な生分解性、炭素排出ゼロ、地元産の材料などの環境に優しい特性も備えています。研究者らは、この新しいタイプの強力な強化氷は、極地科学研究ステーションのインフラ建設、高山永久凍土帯での仮設工学建設、極地のコールドチェーンや保管・輸送の保護、さらには将来的には月や火星の極地水氷資源の現場工学利用にも魅力的で低コストの構造材料ツールボックスを提供すると指摘した。
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