Морская губка поможет создать новый класс экоматериалов

Международная группа исследователей, в работе которой принял участие биолог из Санкт-Петербургского государственного университета, провела эксперимент с воздействием высоких температур на скелет морской губки. В результате ученые получили графитную пористую структуру, которую можно использовать для создания новых экологически чистых материалов.

Результаты исследования были опубликованы в престижном научном журнале Science Advances.

Экстремальная биомиметика — это совершенно новая отрасль междисциплинарных исследований с огромными перспективами. Ее результаты востребованы в самых различных областях — от медицины до нано- и космических технологий. Ученые, применяющие этот научный метод, создают искусственные материалы, имитирующие свойства биологических. Одним из ярких примеров исследований экстремальной биомиметики является изучение морских губок. За 600 миллионов лет существования эти животные научились синтезировать скелет размером от сантиметра до метра и пережили многочисленные природные катаклизмы.

Главный компонент скелета губки (спонгин), возможно, является ключом к производству возобновляемых, нетоксичных и разлагаемых органических каркасов, которые могут сменить многие неэкологичные материалы. Спонгин состоит из рогового вещества — так же как волосы, рога и когти животных — и способен выдерживать высокие температуры: до 360 °C при наличии кислорода и до 1200 °C без него. Также он проявляет устойчивость к воздействию кислот — благодаря этому спонгин может стать многообещающим источником сырья для создания композитных материалов.

Повысить прочность спонгина для промышленного использования помогает карбонизация — насыщение углекислым газом при высокой температуре. В недавних экспериментах с нагреванием до 650 °C он показал высокую механическую и химическую прочность. Это подтолкнуло исследователей к созданию еще более крепких карбонизированных каркасов из спонгина при значительном повышении температуры.

Они поместили спонгин в печь для плавки метала, нагретую до 1200 °C. Такая температура превращает другие биологические материалы, например шелк или человеческий коллаген, в угольную пыль. Однако спонгин после пребывания в печи в течение часа потерял 70 % объема, но полностью сохранил свою микро- и наноструктуру. Благодаря этому ученые смогли выпилить из него различные фигуры. Дальнейшее изучение спонгина показало, что, сохранив свой внешний вид, он превратился в турбостатный графит.

Источник: ​​​​Science Advances
Источник: ​​​​Science Advances

При нагревании в бескислородной среде даже до очень высоких температур спонгин сохраняет молекулярный мотив структуры соединительной ткани. По мнению ученых, это позволяет предположить, что скелет губки может выдержать и более высокую температуру, превратившись в кристаллический углерод без потери архитектуры.

Изучение спонгина проводилось по инициативе основателя экстремальной биомиметики, профессора Института электроники и сенсорных материалов Горной академии во Фрайберге Германа Эрлиха (Германия). Подобные широкомасштабные мультидисциплинарные исследования невозможны в пределах одной лаборатории. Именно поэтому профессор Эрлих собрал международную команду из 21 научно-технологической лаборатории различных институтов Германии, Франции, Польши, США, Словакии и России. Исследование было поддержано Российским научным фондом (проект № 17-14-01089).

Поскольку в данном международном коллективе я оказался единственным специалистом по биологии губок (тип Porifera), одним из моих вкладов в исследование стала общебиологическая характеристика объекта и полученных результатов. Кроме того, моя роль в эксперименте заключалась в ультраструктурных исследованиях, в первую очередь с помощью трансмиссионной электронной микроскопии.

Доктор биологических наук профессор СПбГУ Александр Ересковский (кафедра эмбриологии)

По его словам, получившийся в результате эксперимента прочный нанопористый материал с большой площадью поверхности хорошо подойдет для изготовления химического катализатора. После напыления на него меди получился механически прочный и химически устойчивый в морской и пресной воде медно-углеродистый катализатор. Он очищает воду от 4-нитрофенола — токсичного вещества, которое используется в различных химических и фармацевтических производствах, и со сбросами попадает в воду. В экспериментах с применением катализатора реакция обезвреживания 4-нитрофенола полностью проходит за две минуты. Ученые надеются, что полученный катализатор найдет разнообразное применение в химических исследованиях и производствах.