Копирование природных процессов помогло создать искусственный перламутр

Китайские ученые описали метод получения искусственного перламутра, не отличающегося от натурального. Технология может использоваться и для синтеза других сложных метаматериалов, сочетающих полимерные и минеральные компоненты. Об этом авторы пишут в статье, опубликованной журналом Science.

Перламутр — естественный композитный материал сложной структуры, который некоторые виды моллюсков откладывают на внутренней стенке раковины. Он образуется орторомбическими кристаллами карбоната кальция — арагонита. Шестигранные пластины этого минерала диаметром около 10-20 мкм и толщиной около 5 мкм укладываются параллельными перекрывающимися слоями, которые проложены белковыми и полисахаридными биополимерами, включая хитин и фиброин.

Такое сочетание придает перламутру ряд ценных характеристик, которые весьма интересны для практического применения: прочность, эластичность, устойчивость к образованию трещин. Существуют различные подходы к получению искусственного перламутра: и за счет послойного наращивания, и самосборки, и «литьем намораживанием» (Freeze-casting). Однако Шу-Хун Юй (Shu-Hong Yu) и его коллеги из Научно-технического университета Китая отмечают, ни одна из этих сложных технологий не дает материал, способный сравниться с натуральным перламутром, и «не использует стратегию, которую применяют живые организмы».

Первую успешную попытку получить перламутр, сымитировав естественный процесс минерализации, предприняли кембриджские исследователи еще в 2012 году. Ученые тонким слоем осаждали биополимеры на поверхности стеклянной подложки, формировали в них пористую структуру, а затем погружали в раствор, содержавший новые полимеры, а также соли кальция и магния в тех количествах, которые они имеются в натуральном перламутре. Процесс повторялся раз за разом для наращивания новых слоев, пока не были получены качественные образцы искусственного перламутра, «идентичного натуральному».

Китайские ученые во главе с Шу-Хун Юем упростили этот подход, основанный на минерализации слоев полимерного матрикса. Используя намораживание — анизотропное формирование кристаллов при охлаждении раствора хитозана, авторы получили слоистую структуру, которая под воздействием уксусной кислоты ацетилировалась с образованием стабильного хитинового матрикса. Сквозь него прокачивали раствор бикарбоната кальция в присутствии магния, который осаждался минеральными слоями между слоями хитина. Наконец, в материал вносили белковые полимеры фиброина и спрессовывали.

Изучив образовавшийся метаматериал, ученые подтвердили его близость к натуральному перламутру на разных уровнях структуры. Карбонат кальция образовал кристаллы арагонита несколько больших размеров, чем у натурального, что сделало перламутр чуть менее твердым. Однако в целом такой материал сохранил все полезные свойства перламутра, включая привлекательный вид и устойчивость к росту микротрещин.

Пока что перламутр используется почти исключительно в качестве ювелирного и отделочного материала, однако если удастся наладить его недорогое промышленное производство, яркий и прочный материал может найти куда более широкое применение. Кроме того, авторы отмечают, что такой подход может быть использован и для получения других метаматериалов, в которых упорядоченно чередуются слои твердых минеральных и упругих полимерных компонентов.

Роман Фишман