Змеехвостки научили химиков делать прочную керамику при комнатной температуре

Iryna Polishchuk et al./ Science, 2017

Химики изучили механизм упрочнения кальцитных материалов, которые используют иглокожие из класса офиур (они же змеехвостки). Оказалось, что снизить хрупкость животным удается за счет формирования системы упорядоченных наночастиц, сдавливающих аморфную часть материала, пишут ученые в статье в Science.

Животные для получения необходимых им функциональных материалов (таких, например, как части скелета, оптические и химические сенсоры, органы для пережевывания пищи) вынуждены получать вещества в весьма ограниченных условиях. Они не только не могут менять температуру и давление окружающей среды, но и набор элементов, доступных для синтеза, у них тоже весьма ограничен. Тем не менее, иногда животным удается находить элегантные методы для получения материалов с довольно необычными свойствами, на получение аналогов которых ученые вынуждены тратить значительно больше времени и ресурсов. Поэтому исследователи нередко изучают «технологии» разных животных и пытаются повторить или микроструктуру материала, или его химический состав, или условия, необходимые для его получения.

Коллектив химиков из Израиля, США и других стран под руководством Боаза Покроя (Boaz Pokroy) из Израильского технологического института Технион изучил механизм, который офиуры вида Ophiocoma wendtii используют для упрочнения своей оптической линзы. Это первый вид офиур, у которых была обнаружена фоточувствительность, оптические линзы из кальцита они используют для улавливания света. Линза состоит из сетки микрокристаллов, которые фокусируют свет в нужную область.

Механизм формирования материала кальцитных линз офиур химики изучили по данным рентгеновской дифракции и просвечивающей микроскопии образцов линз при различных температурах. Оказалось, что для упрочнения изначально хрупкого кальцита офиуры используют одновременное осаждение большого количества наночастиц, которое вызывает сжатие материала. В результате кристаллизации происходит образование двух фаз: одной — аморфной, а второй — кристаллической, состоящей из большого количества наночастиц с повышенным содержанием магния. При этом твердые наночастицы кристаллизуются снаружи участков аморфного вещества, вызывая его сжатие.

Такая сжимающая нагрузка приводит к упрочнению материала, аналогично сжатию при получении каленого стекла или преднапряженного бетона. Основное отличие механизма, используемого офиурами, состоит в том, что происходит он при постоянной температуре окружающей среды. Ученые предполагают, что в будущем подобный механизм может быть использован и для упрочнения синтетических керамических материалов для различных приложений, от оптических линз до биоимплантатов.

Использование морских животных в качестве образцов для подражания — не редкость при создании материалов с необычными механическими характеристиками. Например, недавно ученые посмотрели, из чего состоит биссус некоторых мидий и, повторив его химический состав, сделали прочные растягивающиеся нити.

Александр Дубов

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.