Ученые превратили морскую губку в графит

Российские ученые совместно с зарубежными коллегами провели эксперимент по нагреванию скелета морской губки, в результате которого получили графит. Результаты исследования открывают новые возможности для разработки и применения экологически чистых материалов на основе возобновляемых ресурсов. Работа опубликована в журнале Science Advances. Исследование поддержано Российским научным фондом.

Морские губки за 600 миллионов лет существования научились синтезировать скелет размером от сантиметра до метра и смогли пережить самые разнообразные природные катаклизмы. Использование спонгина — основного компонента скелета губки — открывает широкие возможности для создания возобновляемых, нетоксичных и разлагаемых в природе органических каркасов, которые могут заменить объекты из неэкологичных материалов. Спонгин, состоящий из рогового вещества (как волосы, рога и когти), вызывает интерес у ученых из-за своей необычной структуры. Она делится на несколько уровней, каждый из которых представлен волокнами толщиной до 100 мкм, объединенными в сложные трехмерные системы с высокой пористостью. Спонгин выдерживает температуру до 360 °C при наличии кислорода и до 1200 °C в бескислородной среде, а также устойчив к воздействию кислот. Это делает его перспективным источником сырья для создания композитных материалов. Для промышленного использования сперва надо провести карбонизацию (насыщение углекислым газом при высокой температуре), чтобы повысить прочность материала. Недавние эксперименты на спонгине с нагреванием до 650°C показали хорошую механическую и химическую прочность.

Это побудило ученых к разработке новых и более прочных карбонизированных каркасов из спонгина, которые получились бы при нагревании до 1200 °C. Авторы исследования предположили, что вещество может быть превращено в углерод при достаточно высоких температурах, и при этом сохранить свою форму и уникальную структуру. Для проверки теории ученые поместили спонгин в печь для плавки металла, нагретую до 1200 °C. Другие биологические материалы, например шелк и человеческий коллаген, при такой температуре превращаются в бесполезный угольный порошок. Но спонгин после нагревания в течение часа полностью сохранил свою микро- и наноструктуру, хотя и потерял 70% объема. При этом он остался настолько прочным, что из него удалось вырезать разнообразные фигуры. Дальнейшее изучение с помощью микроскопа и дифракции (отслеживания движения) электронов показало, что спонгин полностью превратился в графитовую губку, то есть сохранил свой внешний вид, но внутри превратился в графит.

Прочность спонгина ученые объясняют тем, что при нагревании в бескислородной среде даже до очень высоких температур у него сохраняется молекулярный мотив структуры соединительной ткани, которая составляет основу тела губки. Это открытие позволило ученым предположить, что скелет животного может выдержать и более высокие температуры, превратившись в кристаллический углерод без потери своей архитектуры.

«Сейчас, когда проблема загрязнения окружающей среды стала одной из главных для всей планеты, появление новых материалов крайне важно. Использовать спонгин экономически целесообразно, так как это естественный, возобновляемый и экологически чистый ресурс, который можно производить по всему миру. Уже сейчас в странах Средиземноморья, Австралии и США выращивают кератозных губок. При правильном управлении развитие этих технологий не повредит популяции морских животных, а материалы из спонгина можно будет применять в самых разных областях промышленности», – прокомментировал Александр Ересковский, доктор биологических наук, профессор кафедры эмбриологии биологического факультета Санкт-Петербургского государственного университета.