Новости химической науки > Губка Боб дает идею для нового композитного материала

Ученые из Университета Иоганна Гутенберга в Майнце и Института Исследования Полимеров Макса Планка создали новый синтетический гибридный материал с содержанием неорганических веществ, составляющим почти 90%, при этом обладающий чрезвычайно высокой гибкостью.

Им удалось воспроизвести структурные элементы, обнаруженные в большинстве морских губок, и воссоздать спикулы губки, используя природный карбонат кальция и белок губки. Задача получения функционального материала осложнялась тем, что минералы, образующие скелет губки, обычно очень твердые и шероховатые, и такие же хрупкие как фарфор.

Наноразмерные кирпичики карбоната кальция способствуют гибкости синтетических спикул. Радиус кривизны на изгибе очень большой и сравним с размером отдельных частиц. Это предотвращает разрушение хрупких минеральных блоков. (Рисунок из Science, 2013; 339 (6125): 1298)

К удивлению исследователей синтетические спикулы превосходят свои природные аналоги по показателям гибкости, демонстрируя резиноподобную гибкость. Так, синтетические спикулы можно легко могут согнуть, придав им U-образную форму без разрушения и даже без образования трещин. Это весьма необычное свойство проявляется, главным образом, благодаря органическим веществам, которых в новом гибридном материале почти в 10 раз больше по сравнению с содержанием органики в природных спикулах.

Спикулы представляют собой структурные элементы, обнаруженные у большинства видов морских губок. Они обеспечивают структурную поддержку организму губки и являются защитой от хищников. Спикулы отличаются высокой твердостью, и их даже весьма трудно разрезать ножом. Таким образом, спикулы морских губок представляют собой совершенный образец легкой и при этом прочной защитной системы, которая может стать прототипом бронежилетов будущего.

В исследованиях, выполненных учеными под руководством Вольфганга Тремела (Wolfgang Tremel) и Ганса-Юргена Бута (Hans-Jurgen Butt), природные спикулы губки использовались в качестве образца для выращивания их в лабораторных условиях. Для синтеза синтетических спикул использовался карбонат кальция (CaCO₃) и силикатеин-α (silicatein-α). Последний представляет собой белок кремниевых губок, катализирующий в природе образование диоксида кремния, который, в свою очередь, образует природные силикатные спикулы губок.

Силикатеин-α применялся для контролируемого в лабораторных условиях процесса самоорганизации известковых спикул. Синтетический материал самоорганизуется из смеси аморфного карбоната кальция с силикатеином. Со временем из этой смеси образуется кристаллическое вещество. Спустя шесть месяцев синтетические спикулы состояли из нанокристаллов карбоната кальция ориентированных в форме кирпичной кладки, где белок выполнял функцию цемента, скрепляющего «нанокирпичики», располагаясь между нанокристаллами карбоната кальция. Длина синтетических спикул составила 10-300 мкм, а их диаметр – 5-10 мкм.

Источник: Science, 2013; 339 (6125): 1298; DOI: 10.1126/science.1216260

метки статьи: #биохимия, #нанотехнологии, #неорганическая химия, #новые материалы, #химия полимеров