Вчені створили зубну емаль, яка міцніша за справжню

Емаль – найтвердіша тканина в людському організмі. Вона досить міцна, щоб протистояти вм'ятинам при пережовуванні твердої їжі, і в той же час досить еластична, щоб не тріснути протягом десятиліть постійного тертя щелеп. Особливості її молекулярної будови настільки феноменальні, що вченим досі не вдалося створити аналог, пише журнал  Science.

І все ж це трапилося: дослідники з Ноттінгемського університету стверджують, що розробили штучну емаль, яка ще міцніша і довговічніша за справжню.

Чому так складно повторити натуральну емаль?

Емаль було складно зімітувати насамперед через її будову. Уявіть собі светр із хитромудрим візерунком: щоб його зв'язати потрібно не тільки знати послідовність рухів спицями, але попередньо отримати шерсть і виготовити з неї пряжу потрібної щільності та м'якості.

Так само йдуть справи з атомами кальцію, фосфору і кисню, які повинні об'єднатися в складну структуру, що повторюється, щоб утворити кристалічні нитки емалі. Ці нитки покриває багата магнієм «ізоляція», на кшталт тієї, що бачимо в електричних дротах. Нитки сплітаються в канати, а вони у свою чергу – у пучки та завитки, з'єднані у певній послідовності.

Раніше при створенні штучних емалей дослідники щосили намагалися повторити всі ці складні рівні організації.Наприклад, для управління формуванням кристалічних дротів вони використовували пептиди – короткі ланцюжки амінокислот, подібні до тих, які клітини використовують для побудови білків. Але навіть при цьому їх не вдалося зібрати в єдине полотно із необхідними показниками еластичності та твердості.

Як виглядає суперемаль зараз

У новому дослідженні вчені спробували імітувати природне складання емалі. Замість пептидів та інших біологічних інструментів, вони використовували екстремальні температури, щоб зв'язати нитки в упорядковану форму. Команда створила новий матеріал із ниток гідроксиапатиту – того ж мінералу, з якого складається справжня емаль. Але на відміну від більшості інших синтетичних емалей, дослідники покрили дроти податливим покриттям на основі металу. Вибір упав на оксид цирконію, який є надзвичайно міцним та при цьому нетоксичним.

Це покриття на кристалічних нитках є тим самим секретним інгредієнтом, який робить штучну емаль нового покоління такою пружною. Покриття знижує можливість поломки ниток, тому що м'який матеріал навколо них може поглинати будь-який сильний тиск або удар. Надати новому матеріалу потрібної форми можна за допомогою пили з алмазним лезом.

Потенціал нової емалі далеко за межами стоматології.

Щоб виміряти твердість і еластичність нової штучної емалі, дослідники надрізали її та застосовували тиск доти, доки надріз не перетворився на тріщину. Вони також перевірили, як легко продавити емаль загостреним алмазним наконечником.При порівнянні штучної емалі з натуральною виявилося, що творіння людського розуму та рук більш досконало за 6 параметрами, включаючи еластичність та здатність поглинати вібрації, повідомляє Science.

Насамперед новий матеріал планують використовувати за прямим призначенням – у стоматології. Наш організм не може самостійно регенерувати зубну емаль. Щойно зуби прорізаються з ясен, клітини емалі вмирають. Незважаючи на свою надміцність, зубна емаль може тріскатись під дією температур або механічних пошкоджень. Ці проблеми знайомі половині людства і часто призводять до втрати зубів. Сучасні методи відновлення емалі пломбуванням не дають зубам потрібної твердості та еластичності, що можуть зберігатися десятиліттями.

Тим не менш, новий матеріал ще не може бути запроваджений у стоматологічні кабінети. Дослідники поки що не перевіряли, наскільки добре він зв'язується з натуральною емаллю. Крім того, сировину необхідно нагрівати до 300°C, потім ретельно заморожувати та нарізати алмазною пилкою – а це явно викликає технологічні складності.

Однак емаль може бути використана не лише для відновлення зубів. Вона може допомогти захистити тендітні електронні мікросхеми в ноутбуках від занадто сильних поштовхів або навіть падінь. Її можна використовувати для створення бронежилетів, зміцнення автомобілів, зміцнення будівель у разі землетрусів.