Международная команда, в которой были ученые из Санкт-Петербургского и Томского университетов, провела эксперимент с нагреванием скелета морской губки. Получился графит с особой структурой. Результаты исследования открывают новые возможности для создания и производства экологически чистых материалов из возобновляемых ресурсов. Исследование поддержано Российским научным фондом.
Фото: Александр Ересковский.
Фото: Александр Ересковский.
Экстремальная биомиметика — перспективное направление для создания и использования новых материалов. Ее главная идея состоит в том, чтобы благодаря эволюционным приспособлениям живых организмов создать неорганические и органические гибридные композиты, устойчивые к агрессивным воздействиям веществ и температуры. К примеру, ученые уделяют особое внимание морским губкам, которые за 600 млн лет существования научились синтезировать скелет размером от сантиметра до метра и смогли пережить самые разнообразные природные катаклизмы. Использование спонгина — основного компонента скелета губки — открывает широкие возможности для создания возобновляемых, нетоксичных и разлагаемых в природе органических каркасов, которые могут заменить объекты из неэкологичных материалов.
Спонгин, состоящий из рогового вещества (как волосы, рога и когти), вызывает интерес у ученых из-за своей необычной структуры. Она делится на несколько уровней, каждый из которых представлен волокнами толщиной до 100 мкм, объединенными в сложные трехмерные системы с высокой пористостью. Спонгин выдерживает температуру до 360°C при наличии кислорода и до 1200°C в бескислородной среде, а также устойчив к воздействию кислот. Это делает его перспективным источником сырья для создания композитных материалов. Для промышленного использования сперва надо провести карбонизацию (насыщение углекислым газом при высокой температуре), чтобы повысить прочность материала. Недавние эксперименты на спонгине с нагреванием до 650°C показали хорошую механическую и химическую прочность.
Это побудило ученых к разработке новых и более прочных карбонизированных каркасов из спонгина, которые получились бы при нагревании до 1200°C. Авторы исследования предположили, что вещество может быть превращено в углерод при достаточно высоких температурах и сохранить свою форму и уникальную структуру. Для проверки теории ученые поместили спонгин в печь для плавки металла, нагретую до 1200°C. Другие биологические материалы, например шелк и человеческий коллаген, при такой температуре превращаются в бесполезный угольный порошок. Но спонгин после нагревания в течение часа полностью сохранил свою микро- и наноструктуру, хотя и потерял 70% объема. При этом он остался настолько прочным, что из него удалось вырезать разнообразные фигуры. Дальнейшее изучение с помощью микроскопа и дифракции (отслеживания движения) электронов показало, что спонгин полностью превратился в графитовую губку, то есть сохранил свой внешний вид, но внутри превратился в графит.
Прочность спонгина ученые объясняют тем, что при нагревании в бескислородной среде даже до очень высоких температур у него сохраняется молекулярный мотив структуры соединительной ткани, которая составляет основу тела губки. Это открытие позволило ученым предположить, что скелет животного может выдержать и более высокие температуры, превратившись в кристаллический углерод без потери своей архитектуры.
«Сейчас, когда проблема загрязнения окружающей среды стала одной из главных для всей планеты, появление новых материалов крайне важно. Использовать спонгин экономически целесообразно, так как это естественный, возобновляемый и экологически чистый ресурс, который можно производить по всему миру. Уже сейчас в странах Средиземноморья, Австралии и США выращивают кератозные губки. При правильном управлении развитие этих технологий не повредит популяции морских животных, а материалы из спонгина можно будет применять в самых разных областях промышленности»,— прокомментировал Александр Ересковский, доктор биологических наук, профессор кафедры эмбриологии биологического факультета Санкт-Петербургского государственного университета.
Работа проводилась международной командой исследователей, в которую входят ученые из Фрайбергской горной академии (Германия), Университета Вашингтона (Сиэтл, США), Университета Познани (Польша), Университета Тулузы (Франция), Технического университета Дрездена (Германия), Университета Марселя (Франция), Университета Комения (Братислава, Словакия), Европейского комплекса изучения синхронного излучения (Гренобль, Франция). С российской стороны участвовали ученые из Санкт-Петербургского государственного университета, Сыктывкарского государственного университета и Университета ИТМО (Санкт-Петербург).
Extremebiomimetics: Preservationofmoleculardetailincentimeter-scalesamplesofbiologicalmesheslaiddownbysponges; IaroslavPetrenko, Adam P. Summers, PaulSimon, Soniatowska-Aksamitowska, MykhailoMotylenko,