Ученые создают новые минеральные материалы

Как известно, спикулы, скелетные элементы некоторых беспозвоночных животных, таких как, губки, кораллы, моллюски, являются достаточно гибкими и одновременно прочными элементами при нагрузке на разрыв или излом. Ученым удалось создать синтетические спикулы, которые не ломались даже при экстремальных нагрузках и деформациях.

Исследования проводились с использованием микроманипулятора и сканирующего электронного микроскопа. При этом осуществлялось сравнение характеристик искусственных и природных материалов.

Немецкие ученые из университета Иоганна Гутенберга города Майнц и Института Макса Планка полимерных исследований в городе Гейдельберг создали новый синтетический гибридный материал, содержащий почти 90 процентов минеральных веществ, но очень гибкий. Секрет в том, что они в своей работе пытались подражать природе, создавшей структурные элементы большинства спикул морских губок. Им удалось воссоздать спикулы губок с использованием природного минерального карбоната кальция и белка губки. Природные минералы, как правило, очень жесткие и колючие, и такие же хрупкие, как фарфор. Удивительно, что созданные синтетические спикулы превосходят их природные аналоги с точки зрения гибкости, демонстрируя резиноподобную гибкость.

Необычная гибкость, описанная немецкими исследователями в текущем выпуске журнала «Science», обязана присутствию органических веществ в новом гибридном материале, и эта добавка (органических веществ) примерно в десять раз больше, чем в природных спикулах. Спикулы являются структурными элементами в большинстве морских губок. Они обеспечивают как определенную жесткость, так и защиту от хищников.

Они часто бывают колючие и их твердость такова, что иногда даже довольно трудно режутся ножом. 

Высокая степень изгиба синтетических спикул обеспечивается «кирпичами» кальцита нанометрового размера. Радиус кривизны при изгибе очень велик по сравнению с размером отдельных частиц. Это предотвращает разрушение хрупких кирпичей и гибкость всей структуры. Исследователи во главе с Вольфгангом Тремель (Wolfgang Tremel), профессором университета Иоганна Гуттенберга в Майнце, и Ганс-Юргеном Батт (Hans-Jürgen Butt), директором Института Макса Планка полимерных исследований в Майнце, использовали эти природные спикулы губки в качестве модели для того, чтобы вырастить подобные им материалы в лаборатории.

Синтетические спикулы были созданы из кальцита (CaCO3) и силикатеина-альфа (silicatein-α). Последний представляет собой белок природных, кремнистых губок, который катализирует образование диоксида кремния в морских губках. Силикатеин-альфа был использован в лабораторных условиях для контроля самоорганизации спикул кальцита. Синтетический материал был в результате собран из аморфного карбоната кальция в качестве связующего материала и силикатеина-альфа, а затем доведен до конечного кристаллического материала, методом «старения».

После шести месяцев «старения», синтетические спикулы уже представляли собой стену из «кирпичей», состоящих из нанокристаллов кальцита, в которой белок выполнял – роль цемента, соединяющего «кирпичи» нанокристаллов кальцита. Полученные спикулы были 10-300 микрометров в длину и диаметром 5-10 мкм.