"Кружевные" стеклянные панцири диатомовых водорослей вдохновляют новые технологии

Исследователи Сколтеха сообщили о новом прорыве в изучении диатомей — удивительных одноклеточных водорослей, которые могут скрывать секреты для передовых технологических решений, имитирующих природу.

Эти водоросли служат моделями для мембран в высокопроизводительных миниатюрных микрофонах с низким энергопотреблением, а также для фотонных кристаллов, необходимых для обработки световых сигналов в будущих сверхбыстрых и энергоэффективных устройствах. Исследование опубликовано в Scientific Reports.

Диатомеи — большая группа одноклеточных водорослей с характерными твёрдыми, лёгкими, пористыми панцирями из диоксида кремния, называемыми фрустулами. Они чрезвычайно успешны и повсеместно распространены в океанах и пресных водоёмах, составляя до четверти органического материала Земли. Они поглощают углекислый газ в процессе фотосинтеза и обеспечивают около пятой части всего кислорода на планете.

"Эволюционный успех и важность диатомей для среды обитания Земли означает, что их структура оптимальна одновременно во многих отношениях — фотонном, механическом, биохимическом — при этом минимизируя вес и расход материала", — отметил Алексей Салимон.

Сложные кружевные экзоскелеты диатомей "предоставляют неиссякаемый источник вдохновения для разработки новых материалов и устройств". Они уже используются для удаления тяжёлых металлов из воды и как мягкие абразивы в зубной пасте. Среди технологий, которые могут выиграть от компонентов, имитирующих фрустулы, — микроэлектромеханические системы (MEMS) и фотонные интегральные схемы.

"Чтобы использовать эти структуры в биомиметических технологиях, инженерам требуется детальное понимание их поведения и состава", — прокомментировала ведущий автор исследования, аспирант Сколтеха по фотонике Юлиана Цветинович. "Это конкретное исследование даёт беспрецедентное новое понимание того, как статические и динамические механические свойства фрустул диатомей связаны с их структурой".

Комбинируя атомно-силовую микроскопию и наноиндентирование (прокалывание образца алмазным наконечником и измерение его отклонения), команда изучила механические свойства как высушенных фрустул, так и влажных, с сохранённым органическим материалом. Анализ охватил твёрдость, гибкость и вибрационные характеристики, исследуя их связь со сложной структурой фрустул с двумя слоями и различными узорами пор на внутренней и внешней стороне. Исследованные водоросли имели диаметр от 30 до 40 микрометров.

"Пожалуй, самая захватывающая особенность, которую мы определили, — это различие между более твёрдым внутренним слоем, который служит основой, и более мягким и пористым внешним слоем поверх него. Было захватывающе видеть, как фрустулы колеблются, но не ломаются под циклической нагрузкой, что подтверждает наше предположение об истоках их гибкости и прочности. Мы первые, кто наблюдал такое поведение и сообщил о сравнительных механических характеристиках живых клеток диатомей и очищенных фрустул без органических компонентов", — добавила Цветинович.

Со-руководитель исследования, профессор Дмитрий Горин, заявил: "Мы считаем, что дальнейшие исследования фрустул диатомей в конечном итоге откроют путь к широкому спектру ожидаемых применений — от мембран MEMS-микрофонов, визуально напоминающих водоросли, до композитных материалов, которые воспроизводят структуру диатомей и включают дополнительные компоненты и функции".