Российские ученые совместно с зарубежными коллегами провели эксперимент по нагреванию скелета морской губки, в результате которого получили графит. Результаты исследования открывают новые возможности для разработки и применения экологически чистых материалов на основе возобновляемых ресурсов. Работа опубликована в журнале Science Advances. Исследование поддержано Российским научным фондом.

Фотография морской кератозной губки. Источник: ...

Фотография морской кератозной губки. Источник: Александр Ересковский

В наши дни ученые по всему миру изучают возможности использования новых материалов. Особенно перспективным направлением стала экстремальная биомиметика. 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 миллионов 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.

Фотография морской кератозной губки. Источник: ...

Фотография морской кератозной губки. Источник: Александр Ересковский

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 при этом 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.

Картинка: туалетная губка Spongia officinalis в...

Картинка: туалетная губка Spongia officinalis в руках основателя нового научного направления «Экстремальная биомиметика», профессора Германа Эрлиха (Hermann Ehrlich) из Горной академии во Фрайберге, Германия. Источник: Познаньский политехнический университет (Politechnika Poznańska), Польша (https://www.put.poznan.pl/pl/aktualnosc/unikatowy-material-grafitowy)

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 кератозных губок. 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.

Картинка: трехмерный графитовый скелет в разрез...

Картинка: трехмерный графитовый скелет в разрезе, созданный на основе рогового скелета морской туалетной губки. Источник: авторы статьи

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 синхтронного излучения (Гренобль, Франция). С российской стороны участвовали ученые из Санкт-Петербургского государственного университета, Сыктывкарского государственного университета и Университета ИТМО (Санкт-Петербург).