Разгадка механизма превращения морскими ежами аморфного карбоната кальция в один из самых твердых и прочных природных материалов — кальцит — может в будущем открыть новую область развития наноматериалов для самых разных областей технологии, уверены авторы исследования, опубликованного в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.
Наиболее прочный природный материал, образующий зубы, кости, а также раковины моллюсков и острые кромки зубов морских ежей, уже давно привлекает повышенное внимание ученых как один из самых ярких примеров природного нанотехнологического процесса сборки объемного материала из мельчайших частиц.
Группа ученых из Израиля, Германии и Франции под руководством Пупы Джилберт (Pupa Gilbert), физика из университета Висконсин-Мэдисон в США, сумела впервые описать процесс, в результате которого морские ежи преобразуют аморфный материал — карбонат кальция, известный всем как накипь в чайниках, — в кристаллический материал кальцит. Исследователи полагают, что этот процесс может отражать суть самых разнообразных примеров биологической минерализации.
«Если бы мы смогли искусственно воссоздать этот процесс, он бы мгновенно нашел применение во многих сферах технологий, так как он отражает природный подход к сборке наноматериалов что называется «снизу вверх» — из элементарных строительных блоков , — считает Джилберт, слова которой приводит пресс-служба университета Висконсин-Мэдисон.
В своей работе ученые наблюдали за ростом так называемых спикул — очень острых скелетных игл, образующих скелет животных, пока те находятся в начальной стадии развития и располагающихся впоследствии на режущей кромке зубов морских ежей. Для этого авторы статьи использовали инновационный тип микроскопии, основу которого составляет мягкое рентгеновское излучение, получаемое с помощью особого типа ускорителей элементарных частиц — синхротронов.
Спикулы, как и зубы и кости всех животных и человека, являются гибридным биологическим минералом, состоящим из органических молекул и минеральных компонентов, которые животные синтезируют из наиболее доступных химических элементов, содержащихся в воде — кальция, кислорода и углерода. В течение 48 часов своего роста спикулы становятся полностью монокристаллическими и бездефектными образованиями, имеющими треугольную форму, напоминающую форму логотипа Mercedes-Benz.
Твердость спикул, образующих кончики зубов морского ежа, такова, что позволяет ежам без труда вгрызаться в грунт, состоящий из такого же минерала кальцита.
«Чтобы достичь такой необычной морфологии и функциональности спикул, организмы сперва наращивают аморфный скелет будущей кости или зуба, а затем каким-то образом запускают процесс цепной кристаллизации, в ходе которого атомы выстраиваются в кристаллическую решетку с особой ориентацией», — говорит Джилберт.
Именно этот процесс перехода из аморфного состояния в кристаллическое и интересовал ученых, следивших за развитием двух-трехдневных личинок морских ежей с помощью нескольких методов микроскопии. Оказалось, что спикулы зарождаются в скоплениях специализированных клеток, где организм откладывает первый микрокристалл кальцита специфической ромбоэдрической геометрии, из которого происходит дальнейший рост всей спикулы. На гранях этого кристалла под углом 120 градусов друг ко другу происходит наращивание новых ветвей кристалла, однако в форме аморфного карбоната кальция. Так аморфный материал формирует всю спикулу, и только после этого запускается процесс цепной кристаллизации в кальцит.
«Кристаллизация спикулы происходит по цепочке и по своему характеру напоминает распространение молнии в воздухе во время грозы», — отмечает Джилберт.
Авторы исследования надеются, что новые фундаментальные знания о процессах биологической минерализации кальцита окажутся в будущем полезными при создании новых сверхпрочных и легких материалов.
РИА Новости
Меню
