Исследователи из Университетского колледжа Лондона (UCL) создали самые тонкие в мире макароны — 372 нанометра в диаметре, что почти в 200 раз тоньше человеческого волоса. Но это не обычные спагетти. Эти ультратонкие волокна, получившие название «нанопаста», не предназначены для употребления в пищу, но их можно использовать для изготовления умных повязок.

Это буквально спагетти

Обычные макароны готовятся путем смешивания муки с водой (а иногда и с яйцами) до образования теста. Тесто замешивают до получения однородной массы, затем ему придают различные формы, например длинные пряди для спагетти или плоские листы для лазаньи. Но доктор Адам Клэнси и профессор Гарет Уильямс придерживались другого подхода. Они использовали технику, называемую электропрядением, при которой к жидкому раствору прикладывают электрический заряд, чтобы вытянуть тонкие нити из кончика иглы, образуя чрезвычайно тонкие волокна.

Хотя масштабы совсем другие, в результате все равно получаются спагетти, говорят исследователи.

«Чтобы приготовить спагетти, нужно протолкнуть смесь воды и муки через металлические отверстия. В нашем исследовании мы сделали то же самое, за исключением того, что пропустили мучную смесь с помощью электрического заряда. Это буквально спагетти, но гораздо меньше».

В результате этого процесса был получен мат из нановолокон (нанопаста) диаметром около 2 см, но состоящий из чрезвычайно мелких нитей. Отдельные нити настолько узки, что традиционные оптические микроскопы не могут уловить их структуру. Вместо этого команда использовала сканирующий электронный микроскоп, чтобы подтвердить удивительную тонкость волокон.

Чтобы добиться нужной консистенции для прядения, команда нагревала смесь в течение нескольких часов, а затем постепенно охлаждала ее. Когда раствор текал через иглу к металлической пластине, использованная муравьиная кислота испарялась, оставляя после себя твердые волокна. В результате этого процесса были получены однородные маты из нановолокон, хотя некоторые дефекты (например, случайное образование капель) все же появлялись.

Предыдущий рекорд самой тонкой пасты принадлежал макаронам ручной работы. В городке Нуоро на Сардинии кто-то приготовил макароны шириной около 400 микрон. Несмотря на то, что он очень тонкий, он все же в 1000 раз толще того, чего достигли исследователи. Фактически, человеческий глаз обычно может улавливать длины волн видимого света от 380 до 700 нанометров, поэтому эта паста тоньше длины волны света, который мы можем видеть.

Тонкие макароны могут быть очень полезными

Несмотря на свою рекордную тонкость, нанопаста в ближайшее время не появится на тарелках. «К сожалению, я не думаю, что это полезно в качестве макарон, так как они пережарятся менее чем за секунду, прежде чем вы сможете вынуть их из кастрюли», — пошутил профессор Уильямс.

За пределами кухни нанопаста может быть полезна в нескольких отраслях.

Большая площадь поверхности и гибкость нановолокон делают их ценными для различных применений. В медицине они могут произвести революцию в уходе за ранами. Пористая природа волокон позволяет воздуху и влаге проникать, блокируя при этом бактерии. Как отметил профессор Уильямс, нановолокна также имитируют внеклеточный матрикс, что позволяет использовать их в качестве каркаса для восстановления тканей и костей.

«Нановолокна, например, изготовленные из крахмала, потенциально можно использовать в повязках на раны, поскольку они очень пористые. Кроме того, нановолокна исследуются для использования в качестве каркаса для восстановления тканей, поскольку они имитируют внеклеточный матрикс — сеть белков и других молекул, которые клетки создают для поддержания себя», — добавил Уильямс.

Помимо здравоохранения, нановолокна могут улучшить системы фильтрации, создать биоразлагаемую упаковку и даже служить компонентами устройств хранения энергии, таких как суперконденсаторы. Успех команды UCL в производстве нановолокон из муки предлагает более дешевую и экологичную альтернативу традиционным нановолоконным материалам, что потенциально ускоряет внедрение во многих секторах.

Устойчивый и масштабируемый

Когда мы думаем о чудесных материалах, мы, вероятно, имеем в виду сложные сплавы или футуристические структуры, но мука сама по себе может быть весьма впечатляющей.

Крахмальные нановолокна уже существуют, но они основаны на чистом крахмале, добываемом с помощью энерго- и водоемких процессов. Используя вместо этого белую муку, команда UCL обошла эти шаги, значительно снизив воздействие на окружающую среду. Мука является более доступным и экологически безопасным исходным материалом, поскольку она сохраняет крахмал наряду с белками и целлюлозой, которые безвредны для многих применений.

Однако, в отличие от очищенного крахмала, мука может содержать некоторые примеси, которые несколько усложняют процесс (но не обязательно ухудшают качество конечного продукта).

Чтобы решить эту проблему, исследователи растворили муку в муравьиной кислоте, которая расщепляет прочно связанные спиральные структуры крахмала на более мелкие цепочки, пригодные для прядения.

«Крахмал — многообещающий материал для использования, поскольку он широко распространен и возобновляем — это второй по величине источник биомассы на Земле после целлюлозы — и он биоразлагаем, то есть может расщепляться в организме», — сказал Клэнси. «Но очистка крахмала требует тщательной обработки. Мы показали, что возможен более простой способ изготовления нановолокон с использованием муки.

Хотя первоначальные результаты являются многообещающими, необходимы дальнейшие исследования для изучения свойств этих нановолокон на основе муки. Команда планирует исследовать их биоразлагаемость, взаимодействие с клетками и масштабируемость для промышленного производства.

«Следующим шагом будет исследование свойств этого продукта. Нам хотелось бы знать, например, как быстро он распадается, как взаимодействует с клетками и можно ли производить его в больших масштабах».

Исследование было опубликовано в Наномасштабные достижения .