Морские губки покажут человечеству новые технологии стеклопроизводства

Природа давно освоила создание очень сложных стеклянных структур в низких температурах - секрет, пока неизвестный человечеству.​​

Технология формирования и формования стекла требует температур около 1000 градусов Цельсия. Поэтому долгое время было загадкой то, как некоторые морские организмы формируют в холодной воде стеклянные спикулы - элементы их скелета.

Разгадка этой загадки была недавно опубликована в журнале Science Advances. Авторы исследования - профессор израильского Технологического института (Технион) Эмиль Золотябко и его коллеги из Германии, которых возглавляет доктор Игорь Злотников из Технологического университета в Дрездене. Группа исследователей открыла принципы возникновения и развития спикул в некоторых видах морских губок. В своей работе они применяли самые новые виды рентгена, нано-томографию и фокусированную дифракцию рентгеновских лучей, используя оборудование Европейского исследовательского ускорительного комплекса синхронного излучения ESRF в Гренобле (Франция).

Морские губки - одни из старейших многоклеточных организмов, они существуют уже больше полумиллиарда лет, о чем свидетельствуют найденные палеонтологами окаменелости. Два класса губок, Demospongiae и Hexactinellida, синтезируют минеральные элементы скелета на основе кремния (их и называют стеклянными спикулами). Эти элементы скелета обеспечивают губкам структурную поддержку, механическую устойчивость и помогают им защищаться от окружающей среды. Спикулы имеют длину от микрона до миллиметра и представляют собой упорядоченные трехмерные структуры, демонстрирующих симметричность биосистемы.

При формировании спикулы процесс осаждения диоксида кремния определяется осевым органическим волокном. Эти волокна, диаметром до 3 мм, преимущественно состоят из ферментативно активных белков, силикатина и его производных, которые катализируют биообразование кремнезема, причем процесс генетически контролируется специализированными клетками, называемыми склероцитами.

Как отмечают исследователи, наиболее интересным открытием было то, что белковые блоки в осевых волокнах расположены в виде трехмерных кристалловидных структур с гексагональной симметрией. Поры в структуре заполнены аморфным диоксидом кремния. Исследователи обнаружили, что главная ось спикулы растет перпендикулярно основанию шестиугольной плоскости белковой решетки. В какой-то момент главная ось отращивает ветви, направленные как грани пирамиды под углом около 66 градусов по отношению к шестиугольной плоскости.

Профессор Эмиль Золотябко​ (фото пресс-службы Техниона).
 

«Используя осевое волокно с кристаллами, природа освоила создание очень сложных стеклянных структур в низких температурах, что находится далеко за пределами известных человечеству технологий в настоящее время», - отмечает профессор Золотябко. «Дальнейшее понимание того, как организм выращивает спикулы, имеет потенциал применения в строительстве нано-кристаллов сложной формы для наноэлектроники. Копирование природных технологий в лаборатории позволит нам разработать новые технологии стеклопроизводства при комнатной температуре».​