Морские губки (латинское название Porifera) — один из древнейших типов многоклеточных животных. Они обитают на Земле более 500 млн лет, пережив за это время многочисленные катаклизмы планетарного масштаба. Их живучесть определяется не в последнюю очередь прочным пористым скелетом, состоящим из спонгина (древнейшего структурного белка).
С античных времен люди использовали роговые морские губки в быту и для изготовления снадобий, из губок создавали произведения искусства. С появлением большого количества синтетических материалов применение губок пошло на спад. Однако недавно они стали объектом крупного международного исследования, в котором приняли участие ученые из Германии, России, США, Польши и Франции под руководством основателя Экстремальной Биомиметики, профессора Германа Эрлиха (Hermann Ehrlich) из Горной Академии во Фрайберге.
«Мы уже давно занимаемся различными возможностями производства материалов для технологий на основе гибридных структур, — рассказывает соавтор исследования, руководитель подразделения Транснационального научно-образовательного UniFEL центра перспективных методов исследования материалов Университета ИТМО, профессор Сергей Молодцов. — Эти гибридные структуры включают в себя биологическую основу в комбинации с неорганическими материалами, такими, как металлы и полупроводники. В какой-то момент мы подумали — чем губки хуже? Это пористый материал, который можно использовать»
Как губка превращается в графит
В ходе экспериментов ученые исследовали скелеты морских губок с помощью различных микроскопов, провели фотоэлектронную спектроскопию, проанализировали молекулярную и электронную структуру.
«Для того, чтобы систему — любую, природную или синтетическую — охарактеризовать, нужно иметь полную информацию о том, где в ней находятся атомы, как электроны движутся между атомами. В результате был использован набор из очень большого количества экспериментальных методов, которые позволяют полностью охарактеризовать систему», — пояснил Молодцов.
Затем исследователи изучили то, как ведет себя материал, из которого состоит скелет губки, при экстремальных условиях. Выяснилось, что спонгин, в отличие от других структурных белков, из которых состоят кости и сухожилия животных, при сильном нагреве не превращается в пыль, а сохраняет свою пористую структуру. При нагревании до 1200°C в печи для плавки металлов скелет губки потерял до 70% своего объема, но полностью сохранил микро- и наноструктуру. В результате получилась пористая губка из графита, настолько прочная, что ее можно было пилить железной пилой, не рискуя ее разрушить.
Секрет прочности нагретого спонгина, превратившегося в графит, заключается в том, что этот материал сохраняет молекулярный мотив (последовательность нуклеотидов или аминокислот) структуры коллагена. Это позволяет оставить основу трехмерной губочной конструкции неизменной даже при нагревании до столь высоких температур. Феномен описан учеными впервые.
Практическое применение
Эта особенность может иметь далеко идущие последствия для ученых, занимающихся новыми материалами, в особенности для тех, кто работает в области создания катализаторов. Как показали авторы исследования, если получившуюся графитовую губку металлизировать с помощью оксида меди, то это приведет к созданию эффективного катализатора для очистки пресной и морской воды от нитрофенолов. Добавление других металлов поможет в создании катализаторов для других реакций.
«Можно создать материал, пригодный для катализаторов в автомобильных двигателях, которые разлагают вредные выбросы перед тем, как они попадают в выхлопную систему, — продолжает Молодцов. — Другое применение — получение водорода. Сейчас говорят о переходе на водородное топливо, которое при сжигании дает только водяной пар. Но чтобы водород получить, нужно провести каталитическую реакцию. Нужен катализатор, где происходит превращение воды в молекулы водорода и кислорода. Металлизированные губки подходят для этого»
Главным преимуществом губки является очень высокая пористость, что создает огромную поверхность для протекания реакции. Также важна доступность губок, ведь их можно выращивать с помощью методики аквакультуры. Наконец, экологичность — в отличие от синтетических материалов, губки являются частью природы и могут быть легче утилизированы.
Перспективы использования других материалов
В дальнейшем исследователи планируют продолжить изучение возможностей создания гибридных материалов на основе тканей морских многоклеточных. По словам Молодцова, уже полученные результаты могут быть использованы для различных применений.
«Это направление исследований будет продолжать развиваться. Человек в целом исчерпал возможности легкого и дешевого изготовления сложных по структуре синтетических материалов, чтобы при этом еще сохранить экологичность производства, — говорит он. — У нас уже есть очень интересные результаты по морским грибам, растущим на глубине 3-4 километра. Ножки у этих грибов оказались очень гибкими, но при этом очень прочными на разрыв. В свое время у NASA была идея, что спутник не обязательно запускать с помощью ракеты, а можно использовать силу вращения земли. Взять очень длинный канат и раскручивать вокруг земли — материал, подобный ножкам этих грибов, можно использовать для этого. Мы выяснили, что эти ножки состоят из оксида кремния, который делает гриб прочным. Ножка представляет собой пористую структуру, где в порах находятся протеины, которые и делают всю ножку гибкой».
Статья: Iaroslav Petrenko, Adam P. Summers, Paul Simon, Sonia Żółtowska-Aksamitowska, Mykhailo Motylenko, Christian Schimpf, David Rafaja, Friedrich Roth, Kurt Kummer, Erica Brendler, Oleg S. Pokrovsky, Roberta Galli, Marcin Wysokowski, Heike Meissner, Elke Niederschlag, Yvonne Joseph, Serguei Molodtsov6, Alexander Ereskovsky, Viktor Sivkov, Sergey Nekipelov, Olga Petrova, Olena Volkova, Martin Bertau, Michael Kraft, Andrei Rogalev, Martin Kopani, Teofil Jesioniowski and Hermann Ehrlich. Extreme biomimetics: Preservation of molecular detail in centimeter-scale samples of biological meshes laid down by sponges, Science Advances. 2019, 10.1126/sciadv.aax2805
