МОСКВА, 17 окт — РИА Новости. Уникальное свойство морской губки не разрушаться при нагревании, а переходить в графит обнаружилось в результате эксперимента, проведенного российскими и зарубежными учеными. Это открывает путь к получению новых экологически чистых материалов, сохраняющих прочность при очень высоких температурах. Результаты исследования опубликованы в журнале Science Advances.
При разработке новых материалов ученые часто черпают идеи у природы. В бионике — науке о применении функций и структур организмов в технических устройствах — есть отдельное направление, изучающее возможности живых существ, приспосабливаться к экстремальным условиям. Один из объектов экстремальной бионики — морские губки, которые за 600 миллионов лет своей истории сумели пережить самые разнообразные природные катаклизмы. Секрет невероятной стойкости морских губок — в веществе, из которого состоит их скелет, — спонгине.
Спонгин устойчив к воздействию кислот, а также выдерживает нагревание до 360 °C при наличии кислорода и до 1200 °C в бескислородной среде. Это делает его перспективным сырьем для создания композитных материалов.
Спонгин состоит из рогового вещества. Из него же состоят волосы, рога и когти. Его особые свойства связаны не столько с составом, сколько с необычной внутренней структурой. Волокна рогового вещества толщиной до 100 мкм объединены в нем в сложные трехмерные системы с высокой пористостью.
Применение спонгина открывает широкие возможности для создания возобновляемых, нетоксичных и биоразлагаемых органических каркасов сантиметрового и даже метрового размера. Современные технологии позволяют создавать такие структуры только на наноуровне.
Для повышения прочности органических каркасов перед промышленным использованием их подвергают карбонизации — высокотемпературному насыщению углекислым газом. Чтобы понять, как поведут себя спонгиновые структуры в таких условиях, ученые решили изучить свойства скелетов морских губок при нагревании.
Работа проводилась международной командой исследователей, в которую входили ученые из Фрайбергской горной академии (Германия), университетов США, Польши, Франции, Германии, Словакии. С российской стороны участвовали ученые из Санкт-Петербургского государственного университета, Сыктывкарского государственного университета и Университета ИТМО (Санкт-Петербург). Исследование поддержано Российским научным фондом.
Ученые провели эксперимент по нагреванию скелета морской губки до 1200 градусов. Другие биологические материалы при такой температуре превращаются в бесполезный угольный порошок. Но скелет губки после нагревания в течение часа полностью сохранил свою микро- и наноструктуру, хотя и потерял 70% объема. Изучение с помощью электронного микроскопа показало, что спонгин полностью превратился в графитовую губку, то есть сохранил свой внешний вид, но внутри заместился графитом. При этом он остался настолько прочным, что из него удалось вырезать разнообразные фигуры.
© Фото : Iaroslav Petrenko et al. / Science Advances, 2019.
Графитизированный скелет губки в разрезе
"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", — приводит пресс-служба РНФ слова Александра Ересковского, профессора кафедры эмбриологии биологического факультета Санкт-Петербургского государственного университета.
Владислав Стрекопытов