Панцирь планктона вдохновил ученых на создание новых технологий
Ученые 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 твердым, легким и пористым панцирем из диоксида кремния. В ходе эволюции эти организмы так хорошо приспособились к условиям существования как в соленых, так и в пресноводных водоемах разного состава и температур, что смогли успешно заселить практически все водоемы 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 учеными 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 тяжелых 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 ученых вскоре после изобретения оптического микроскопа в XVII веке. Но науке до сих пор многое о них неизвестно, и исследования вроде новой работы ученых из Сколтеха продолжают испытывать имеющиеся гипотезы и уточнять понимание этого объекта.
Микроскопы совершенствуются, и это лишь подстегивает любопытство ученых. 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 приобрел 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 твердости 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 твердость, гибкость, вибрационные характеристики и их связь со сложной двухуровневой структурой диатомеи: экзоскелет состоит из двух частей, причем характер пор внутри и снаружи отличается.
«Пожалуй, самая интересная особенность, которую мы обнаружили, — это различие между более жестким 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».
Исследование стало результатом сотрудничества МИСИС и сразу трех подразделений Сколтеха: Центра фотоники и фотонных технологий, Центра энергетических технологий и Центра системного проектирования. Работа поддержана Российским научным фондом (проект под руководством Дмитрия Горина) и Министерством науки и высшего образования России.
Telegram 
Дзен 
VK В Университете МИСИС усовершенствовали технологию нанесения защитных электропроводящих покрытий на медные изделия, широко используемые в качестве элементов скользящих электроконтактов, например, в токосъемниках. Метод увеличивает прочность соединения покрытий с подложкой на 17%.
Ученые нашли признак, который позволяет точно оценить пластичность органических кристаллов, востребованных в устройствах гибкой электроники и робототехнике. Ранее считалось, что хорошо гнутся материалы со слоистой структурой, где молекулы внутри слоя связаны крепко, а между слоями — слабо. Оказалось, что этих требований недостаточно и важно учитывать также энергию, которую нужно затратить на то, чтобы сдвинуть слои друг относительно друга — чем она ниже, тем материал более гибкий. Открытие упростит проектирование и создание органических кристаллов с заданными свойствами.
Нейробиологи СПбГУ продемонстрировали, что активация рецептора следовых аминов TAAR1 эффективно подавляет агрессивное поведение, вызванное полным отсутствием серотонина в мозге. В дальнейшем этот результат поможет в разработке лекарственных препаратов, направленных на коррекцию патологических форм агрессии, возникающих при посттравматическом стрессовом расстройстве (ПТСР) и шизофрении.
Метеорный поток Эта-Аквариды достигнет своего максимума в ночь с 5 на 6 мая. Его частицы — осколки самой знаменитой кометы в истории, которая появляется над Землей раз в 76 лет. Ученый Пермского Политеха рассказал, как этот звездопад связан с кометой Галлея, почему у него есть «брат-близнец» и где лучше всего за ним наблюдать.
В корпорациях, спорте и учебе люди часто сталкиваются с задачами, с которыми не справиться в одиночку. В таких случаях важную роль играет правильный подбор команды. Доцент факультета экономических наук НИУ ВШЭ Татьяна Майская вместе с коллегами из зарубежных университетов исследовала свойства команд и показала, что однородные команды лучше подходят для задач, где важен высокий средний результат, а разнообразные по составу — там, где критично избежать провала.
Ученые Санкт-Петербургского государственного университета уточнили описание вторично морских тихоходок. Удалось доказать существование двух видов организмов в Белом, Баренцевом, Карском морях и море Лаптевых, а также поставить под сомнение, что еще три вида того же семейства представляют собой разные.
В последнее время пуски с российских северных космодромов осуществляют без предварительного уведомления, чего не было в прошлом. Вероятно, дело в недавно упомянутых главой «Роскосмоса» атаках на Плесецк во время пуска. Сегодняшний запуск обеспечил вывод на орбиту космических аппаратов военного назначения.
Когда международная экспедиционная группа, исследующая море Уэдделла в Антарктиде на борту ледокола «Поларштерн», попыталась укрыться от шторма, ученые и экипаж судна удивились внезапному появлению острова, не обозначенного ни на одной морской карте.
Химические связи в материале, из которого сделана электроника, разрываются не из-за накопительного износа от протекания тока через них, а из-за электронов с конкретной энергией.
Вы попытались написать запрещенную фразу или вас забанили за частые нарушения.
Понятно
Что-то в вашем комментарии показалось подозрительным, поэтому перед публикацией он пройдет модерацию.
Понятно
Из-за нарушений правил сайта на ваш аккаунт были наложены ограничения. Если это ошибка, напишите нам.
Понятно
Наши фильтры обнаружили в ваших действиях признаки накрутки. Отдохните немного и вернитесь к нам позже.
Понятно
Мы скоро изучим заявку и свяжемся с Вами по указанной почте в случае положительного исхода. Спасибо за интерес к проекту.
Понятно