Одновременно с развитием современных материалов, ученые не перестают исследовать материалы, данные нам самой природой. Зачастую решение современных проблем было придумано эволюцией миллионы лет назад. Среди последних «муз», которые навели ученых на важные открытия, много представителей водной стихии.
Губки для электроники
Ученые применили методы генной инженерии. чтобы создать белки, которые можно использовать в производстве электроники: получать двуокись кремния и двуокись титана, активно применяющиеся в комьютерных чипах и солнечных батареях.
Некоторые виды морских губок вырабатывают белки, отвечающие за создание кремния. Традиционная генная инженерия прививает бактерии чужеродный ген, отвечающий за выработку конкретного белка и использует бактерию как «фабрику» по производству этого белка. В случае с морской губкой, ее белок убьет подопытную бактерию. Ученые из университета Калифорнии попробовали решить эту проблему, создав искусственную клетку, которая состоит из микроскопического пластикового зерна — ядра — и масляного шара в качестве клеточной мембраны.
К каждому из ядер ученые присоединили частицу ДНК, отвечающую за производство силикатеина, причем эта ДНК была получена с помощью случайного скрещивания ДНК двух других силикатеинов. Затем эти ядра были опущены с смесь бактериальных белков, которые должны превратить ДНК в силкатеин, и покрыты тонким слоем масла, который, как клеточная мембрана, «привязал» энзимы к ядру. После этого энзимы начали создавать силикатеин, который скапливается на покрытом антителами пластиковом ядре.
На следующем этапе ученые разрушили мембрану, опустили клетки в раствор с соединениями кремния или титана, и снова покрыли клетки маслом. Во время этой процедуры силикатеиновые белки собирают на ядре оксид кремния (или оксид титана).
После этого был проведен искусственный отбор. Сначала отсортировали ядра по размеру, отобрав те, у которых на поверхности собрался самый большой слой минерала, а затем подвергли их механическому воздействию и отфильтровали те, которые после этого оказались поврежденными. Таким образом были отобраны самые эффективные гены для производства минерала.
Из прошедших отбор клеток ученые случайным образом отобрали 30, и секвенировали их ДНК. Они обнаружили как гены, идентичные исходным силикатеинам, так и новые, абсолютно отличающиеся от исходных. С помощью этих новых генов ученые снова синтезировали силикатеин и изучили его свойства. В то время как обычный силикатеин производит просто скопления кремниевых частиц, новые белки произвели дисперсные наночастицы с содержанием оксидов металлов. Нашелся даже белок — его назвали силикатеин X1 — который производил слои кремниево-белковых волокон.
Таким образом,
Фактически, они искусственно получили более эффективный (с точки зрения человека), чем исходный, белок-производитель оксида кремния.
Разумеется, направленная эволюция не ограничивается только силикатеинами — например, некоторые виды морских губок производят стекловолокно, которое можно было бы использовать в оптоволоконных сетях, а определенные бактерии могут производить нано-частицы.
Генная инженерия может позволить создавать биологические заводы по производству необходимых для промышленности элементов. Такие заводы были бы экологически чистыми, безотходными и самоподдерживающимися.
Сейчас задача ученых — научиться контролировать процесс направленной эволюции так, чтобы получать белки с заданными свойствами,
например, такими, чтобы производили оксиды с высокой проводимостью. Авторы проекта уверены, что их разработки помогут «поставить те же эволюционные процессы, которые создали морские раковины и скелет, на службу человеку».
Секрет прочности
Губки — не единственное морское животное, вдохновляющее ученых на произвоство новых материалов. Другая группа инженеров-химиков из университета Калифорнии изучила уникальные свойства рака-богомола роскошного (Peacock Mantis Shrimp). Это ракообразное обладает мощнейшими клешнями, которыми оно разбивает панцири крабов, креветок и раковины моллюсков, а иногда даже и стенки аквариумов. На первый взгляд их клешни похожи на обычный хитин, но они выдерживают тысячи ударов за очень короткое количество времени без каких-либо повреждений структуры, при этом очень легкие.
Используя электронный микроскоп, рентгеновскую дифрактометрию, микромеханическое тестирование и компьютерное микромеханическое моделирование, ученые выяснили, что
своей прочностью клешни обязаны трехслойной структуре.
Ударяющая поверхность клешней состоит из чрезвычайно плотного гидроксиапатита. Его прочность на сжатие выше, чем у специализированной керамики типа оксида циркония или карбида кремния. Под ним находится более податливый слой из геликоидальных спиральных хитиновых волокон, окруженных аморфной минеральной массой. Наружная часть клешни состоит из еще одного хитинового слоя, на этот раз бороздчатого, в котором хитиновые волокна расположены параллельно друг другу. Все вместе дает клешне непревзойденную прочность.
Современные композитные материалы используют похожий принцип, но все равно редко выдерживают больше нескольких сильных ударов, после чего их внутренняя структура разрушается. Если же взять за пример то, как эту проблему решила природа, то можно создать легкую и прочную военную броню, обшивку для автомобилей и самолётов, инструменты, спортивный инвентарь.
Робот-клоп
Еще одно водное животное, вдохновившее материаловедов — клоп-водомерка. Он скользит по воде благодаря мельчайшим бороздкам на своих лапках, которые делают их гидрофобными.
Ученые из Китайской академии наук решили, что подобным образом можно решить проблему олеофобных материалов, то есть материалов, отталкивающих жиры и масла. К сожалению, большинство олеофобных покрытий перестают работать, если на них попадает вода.
Ученые сделали небольшого «робота», очень похожего на водомерку. Чтобы придать его медным «лапкам» нанотекстуру, напоминающую текстуру лапок водомерки, их погрузили в гидрат аммиака, и в результате химической реакции образовались мельчайшие нано-«лепестки» оксида меди. Благодаря такому окислению, медная проволока показала угол касания с каплей масла в 164 градуса, под водой, то есть очень высокие олеофобные свойства, которым не препятствует погружение материала в воду.
Ученые уверены, что подобный способ будет работать и с другими металлами, и даже с полимерами, если покрыть их оксидами металлов. Такое олеофобное покрытие может найти массу применений — от лобовых стекол автомобилей, на которые не будут прилипать разбившиеся мухи, до роботов, которые смогут чистить нефтяные разливы в море и покрытия днищ судов, чтобы на них не налипали ракушки.
