Микроскопический порядок, который определяет наш макроскопический мир | Карлис Агрис Гросс | TEDxРига

Состав любого объекта открывает только часть его секретов. Остальное зависит от структуры на макро-, микро- и наноуровнях. Профессор Гросс показывает нам, что структура важна для оптимального результата, будь то компоненты технических улучшающих жизнь продуктов или составляющие ингредиентов вашего любимого летнего лакомства. Его страсть к кристаллам приближает нас к прорывам в создании синтетических материалов для скелетных имплантов.

Карлис Агрис Гросс — инженер-материаловед, посвятивший свою карьеру развитию ортопедических материалов. Его понимание пространства микро- и наномасштаба позволяет ему размышлять о том, как расположение материалов может улучшить характеристики и ортопедических материалов, и мороженого — его не слишком секретной страсти.

Это выступление записано на мероприятии TEDx, независимо организованном местным сообществом с использованием формата конференций TED. Узнайте больше на http://ted.com/tedx.

Вы когда-нибудь задумывались,
из чего состоит яблоко?

Нет.

Посмотрите на своего соседа.
Из чего он сделан?

В основном, из тех же элементов.

Но то, как они соединены вместе,

имеет решающее значение;
их порядок уникален.

Я инженер-материаловед,
получивший образование в Австралии,

и я смотрю на материалы —
я смотрю на детали материалов,

смотрю на их состав,
смотрю на их композицию.

Композиция важна.

Вы знаете поговорку:
«Бриллианты — лучшие друзья девушек».

А лучшие друзья
инженера-материаловеда — кристаллы.

В кристаллах порядок
выражен самой природой.

Кристаллы важны в нашей ежедневной жизни.

Подумайте, где мы видим кристаллы.

Каждый из нас носит кристаллы.

Один пример — мобильный телефон:
кристалл кремния.

Другой — абразивы
для обработки компонентов.

Мы использовали один кристалл,
когда мы летели.

В самом деле, нам следует
быть им благодарны:

они в лопатках турбин
реактивного самолёта.

Кристаллы повсюду.

Кристаллы также есть в мороженом.

Двадцать лет назад я вошёл
в гастрономический мир.

И там я увидел важность порядка —

в мороженом.

Я принёс науку на кухню.

Как инженеры мы всегда пытаемся понять,
как применить то, что мы изучили.

Так что я хочу поделиться с вами
моим открытием

о прекрасном лакомстве,
для которого важна структура.

Вы недавно ели мороженое?

Сколько человек задумывались
о структуре мороженого?

Хорошо, пара человек вон там.

Ладно, ну а десерты с мороженым?

Состав может быть похожим,

а структура — разной.

Существуют две крайности.

Есть Ben & Jerry’s —
кому нравится Ben & Jerry’s?

Ben & Jerry’s с одной стороны.

В середине у нас
мороженое из супермаркета.

И в конце —

я не мог устоять, мне пришлось
сделать собственное джелато.

(Смех)

Так что я добавил и его тоже.

Я хочу подчеркнуть важность структуры.

В первом сценарии у нас Ben & Jerry’s.

В нём много прекрасных ингредиентов —
сливки, сахар, яйца,

у него отличный вкус и оно очень сытное.

Оно плотное. Оно твёрдое.
Оно насыщенное. Его сложно зачерпнуть.

Поэтому для его сервировки
используется специальная ложка.

В нём 7–8% жирности; я же сказал вам,
что в нём масса добродетелей.

(Смех)

В нём также множество добавок:
орехи, шоколад, печенье, фруктовые пюре.

Они не ограничивают свою
фантазию в этом мороженом.

Внутри него очень мало структуры,
так что давайте отложим его на минуту.

Следующее — мороженое из супермаркета.

В нём больше структуры.

Оно проще; его легче есть; оно мягче.

Оно наполовину состоит из воздуха.

Воздух — часть этого мороженого.

Однако воздух делает его вкус
менее выразительным,

и поэтому обычно вы используете
какой-нибудь ароматизатор.

Итак, ингредиенты качеством ниже,
но имеется некая структура.

И, наконец, структура преобладает
в джелато — итальянском мороженом.

Оно имеет богатый вкус,
роскошную структуру.

Оно завершает ваш гастрономический опыт.

Я почти могу почувствовать его запах,
стоя здесь; оно выпрыгивает из контейнера.

И вы всегда говорите, чтобы добавили
больше натуральных ингредиентов.

Натуральные ингредиенты
остаются у вас во рту,

и вы можете чувствовать вкус

от 5 до 10 секунд после того,
как оно растает у вас во рту.

В нём меньше жира.

Если бы оно было на основе сливок,
типичная жирность была бы около 7%.

Итак, в структуре меньше воздуха,
мороженое мягче и тает у вас во рту.

Посмотрите, как легко
зачерпнуть его ложкой.

Нет.

У меня нет рожка.

Хорошо, положу его на место.

Но там есть что оптимизировать:

кристаллы.

Здесь мы можем подумать
о форме кристаллов.

Мы можем использовать кристаллы
для создания более крупных объектов.

Расположение этих кристаллов
определяет свойства конечного продукта.

В лаборатории университета
я создаю синтетические материалы.

На самом деле я выращиваю кристаллы —

я выращиваю кристаллы
определённого состава.

И пытаюсь получить определённые кристаллы,
которые могут хорошо встроиться в кость.

Кость — естественная
композиция материалов,

и её структура улучшает её свойства.

Вы можете удивиться,
но кости тоже содержат кристаллы.

Это длинные кристаллы.
Они связаны с коллагеном,

и это обеспечивает
хорошие механические свойства.

Сила скрыта в том,
как они собраны вместе.

Это не просто смесь.

Кристаллы упорядочены
на различных уровнях.

На левом снимке есть
маленькие серые кристаллы.

Все они ориентированы в одном направлении,

и между ними — молекулы коллагена.

Это простейший строительный блок.

Они в большом количестве
находятся внутри фибрилов,

фибрилы внутри цилиндра,
и из последних состоит волокно.

Вы можете видеть, в каком
порядке всё построено.

Эти волокна соединяются в слои.

Вы можете видеть ориентацию
волокон в разных слоях.

Именно это расположение,

этот порядок обеспечивает
удивительные механические свойства.

Подумайте о новорождённых:

они могут падать очень свободно;
их кости не ломаются.

У них очень, очень прочные кости.

Итак, порядок также важен
внутри синтетических материалов.

Мы синтезируем кристаллы.

Можно сделать покрытие

и нанеси его на протез бедра.

Эти типы протезов можно купить.

Хорошо, что композиция кости и кристалла

напоминает то, что уже есть в природе,
поэтому она уже биосовместима.

Она хорошо работает в протезах
и интегрируется с костью.

Однако есть проблема: внутри неё
кристаллы ориентированы случайно.

Кость вырастает до поверхности протеза,

и протез интегрируется в кость,

но можно сделать гораздо больше.

Мы можем контролировать форму кристаллов.

Видите, это длинный шестигранный кристалл.

Мы также можем расположить эти кристаллы

практически в том же порядке,
который наблюдаем в кости,

и потом поместить их в покрытие протеза.

Моя команда потратила около 10 лет,

изучая порядок этих костных кристаллов.

Костные кристаллы содержат ионы кальция,
ионы фосфатов и гидроксильные ионы —

те же молекулы, которые
мы нашли в мороженом.

У этих молекул

есть электрические полюса, так что
их можно сравнить с батарейкой.

С одной стороны, где гидроксильный ион,
у вас положительный заряд.

С другой стороны, где кислород, —

отрицательный заряд.

Они обычно случайно
ориентированы в покрытиях,

но можем ли мы их упорядочить?

Например, взглянем на хор.

Вот он!

Все они упорядочены;
все они смотрят на дирижёра.

Мы знаем, что можем ожидать
хороший результат.

Если бы они смотрели
каждый в свою сторону,

это было бы довольно дезорганизовано.

Но раз все они смотрят на дирижёра,

вы получаете самую большую громкость
и лучший звуковой эффект.

Подобным образом,

возвращаясь к нашим гидроксильным ионам,

мы можем подумать об упорядочении
этих гидроксильных ионов

в структуре кристалла.

И если мы сможем упорядочить
все эти гидроксильные ионы,

посмотрите на правую картинку,

вы можете увидеть позитивную
верхнюю сторону, негативную нижнюю,

тогда вы сможете создать
электрический заряд

на конце кристалла,

в этом случае —

на поверхности покрытия.

И таким образом мы можем
улучшить его свойства.

Исследования показали, что клетки кости
любят расти к такому типу поверхности,

и кость растёт намного активней.

То есть мы увеличили ценность материала

просто играясь с зарядом.

Но мы можем сделать больше,
упорядочив эти гидроксильные группы.

Мы можем увеличить ценность материала,

изменяя форму кристалла,
ориентацию кристаллов

и ориентацию этих гидроксильных ионов.

И мы можем ожидать от этих улучшенных
имплантов улучшенное качество жизни.

Я и мои коллеги
надеемся увидеть это будущее.

Итак, я показал вам, как материалы
влияют на наше тело

в пище, в тканях, а также в имплантах.

Запомните:

смотрите не только на состав,

но смотрите на порядок,
композицию и структуру.

Это улучшит результат.

Благодарю вас.

(Аплодисменты)