Учёные из Сколтеха опубликовали свежие результаты исследования диатомовых водорослей — одноклеточного организма с поразительными свойствами, который может стать прообразом ряда прорывных технологических решений. По образу и подобию стеклянного пористого панциря диатомей можно сконструировать мембрану для миниатюрного сверхчувствительного и энергосберегающего микрофона или фотонный кристалл — так называется ключевая составляющая быстрых и энергоэффективных оптоэлектронных микросхем будущего. Целый ряд механических характеристик экзоскелета диатомеи впервые опубликованы в исследовании группы авторов из Сколтеха и Оксфорда в журнале Scientific Reports.
Диатомовые — обширная группа одноклеточных водорослей с характерным твёрдым, лёгким и пористым панцирем из диоксида кремния. В ходе эволюции эти организмы так хорошо приспособились к условиям существования как в солёных, так и в пресноводных водоёмах разного состава и температур, что смогли успешно заселить практически все водоёмы на Земле: на их долю приходится четверть всей биомассы, производимой на планете, а также пятая часть всего вырабатываемого фотосинтезом кислорода. Когда говорят о большой экологической роли планктона, следует учитывать, что именно диатомовые — одна из его основных составляющих.
«Эволюционный успех и большое значение диатомовых для биосферы Земли говорят о том, что их структура оказалась оптимальна с точки зрения оптики, механики и биохимии одновременно, также при этом сводя к минимуму вес и расход материала», — пояснил старший инженер-исследователь Центра системного проектирования Сколтеха, заведующий Кафедрой физической химии МИСИС Алексей Салимон, который давно способствует долгосрочному сотрудничеству между учёными обоих институтов в области прикладного материаловедения.
Как говорится в статье научного коллектива в Scientific Reports, подобные стеклянному кружеву экзоскелеты диатомовых «являются неисчерпаемым источником вдохновения для разработки новых материалов и устройств». Они уже применяются для очистки воды от тяжёлых металлов, а также в качестве мягких абразивных веществ в составе зубной пасты. В числе технологий, которые могут выиграть от воспроизведения структуры этого панциря, — микроэлектромеханические системы и фотонные интегральные схемы. Первые представляют собой основу для чувствительных, компактных и энергоэффективных микрофонов, а вторые могут стать основой для высокопроизводительных и энергосберегающих устройств, обрабатывающих информацию в форме света, а не электрических импульсов (как в современной электронике).
«Чтобы раскрыть потенциал этих структур для биомиметических технологий, инженерам нужно детально понимать их устройство и свойства, — рассказывает аспирант Центра фотоники и фотонных технологий Сколтеха, первый автор исследования Юлияна Цветинович. — В частности, в этой работе мы получили уникальные данные о статических и динамических механических свойствах панцирей диатомовых водорослей в привязке к их структуре».
Диатомовые привлекли внимание учёных вскоре после изобретения оптического микроскопа в XVII веке. Но науке до сих пор многое о них неизвестно, и исследования вроде новой работы учёных из Сколтеха продолжают испытывать имеющиеся гипотезы и уточнять понимание этого объекта.
Микроскопы совершенствуются, и это лишь подстёгивает любопытство учёных. Один из руководителей исследования, профессор Оксфорда и Сколтеха Александр Корсунский, прокомментировал это так:
«После четверти века моей работы в этой области я с удовлетворением вижу результаты применения наноиндентации внутри системы сканирующей электронной микроскопии с фокусированным ионным пучком Tescan Solaris, которую по моей рекомендации приобрёл Сколтех и которая теперь находится в Центре коллективного пользования института. Виртуозно овладев этим сложным инструментом, Евгений Статник и Павел Сомов получили уникальный видеоматериал, описывающий деформацию диатомеи, а профессионализм Сергея Лучкина в работе с атомно-силовым микроскопом сделал возможной количественную оценку твёрдости и модуля упругости».
Сочетая атомно-силовую микроскопию и наноиндентирование (на образец надавливают алмазной иглой и регистрируют его деформацию), научный коллектив изучил механические свойства как высушенных, так и влажных, не очищенных от органики панцирей диатомовых водорослей диаметром 30–40 микрометров. Измерялась твёрдость, гибкость, вибрационные характеристики и их связь со сложной двухуровневой структурой диатомеи: экзоскелет состоит из двух частей, причём характер пор внутри и снаружи отличается.
«Пожалуй, самая интересная особенность, которую мы обнаружили, — это различие между более жёстким внутренним слоем, который служит своего рода фундаментом, и более мягким и пористым внешним слоем над ним. Конечно же, было крайне любопытно наблюдать, как под циклической нагрузкой панцирь водоросли колеблется, не ломаясь, что послужило подтверждением нашей гипотезы о причинах его гибкости и прочности. Такое поведение, как и сравнительные механические характеристики живых клеток и очищенных от органики панцирей, мы наблюдали и проанализировали впервые».
Один из руководителей исследования, заведующий Лабораторией биофотоники Сколтеха профессор Дмитрий Горин, добавил:
«Мы считаем, что дальнейшее исследование панцирей диатомовых водорослей сделает возможными прорывные технологические решения, от мембран для оптоакустических эндоскопов или MEMS-микрофонов, даже внешне напоминающих эти водоросли [см. изображение ниже], и вплоть до новых композитных материалов, которые будут воспроизводить структуру диатомеи с добавлением других компонентов и функций».
Изображение. Сравнение MEMS-микрофона (слева) и диатомовой водоросли (справа): природа создала невероятно эффективную структуру, которая внешне напоминает продукт человеческой инженерии — мембрану микрофона. Источник: Юлияна Цветинович/Scientific Reports
Исследование стало результатом сотрудничества МИСИС и сразу трёх подразделений Сколтеха: Центра фотоники и фотонных технологий, Центра энергетических технологий и Центра системного проектирования. Работа поддержана Российским научным фондом (грант № 22-14-00209, проект под руководством Дмитрия Горина) и Министерством науки и высшего образования РФ (проект № 121032300019-0).
Сколтех — негосударственный международный университет, который готовит новое поколение лидеров в области науки, технологий и бизнеса, проводит исследования в прорывных областях и содействует технологическим инновациям с целью решения важнейших проблем, стоящих перед Россией и миром. Сколтех развивает шесть приоритетов: искусственный интеллект и коммуникации, науки о жизни и здоровье, прорывная инженерия и передовые материалы, энергоэффективность и ESG, фотоника, перспективные исследования. Основанный в 2011 году в сотрудничестве с Массачусетским технологическим институтом, к 2019 году Сколтех единственный от России вошёл в первую сотню молодых университетов рейтинга Nature Index, самого престижного в сфере науки.