Исследователи изучают панцири диатомовых водорослей в поиске идей для технологических решений

Учёные «Сколтеха» опубликовали свежие результаты исследования диатомовых водорослей — одноклеточного организма, который может стать основой для ряда новых технологических решений. По образу и подобию стеклянного пористого панциря диатомей можно сконструировать мембрану для миниатюрного сверхчувствительного и энергосберегающего микрофона или фотонный кристалл. Механические характеристики экзоскелета диатомеи впервые опубликованы в исследовании группы авторов «Сколтеха» и Оксфорда в журнале Scientific Reports.

Диатомовые — группа одноклеточных водорослей с характерным твёрдым, л​​ёгким и пористым панцирем из диоксида кремния. Организмы настолько хорошо приспособились к условиям существования в солёных 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, и пятая часть всего вырабатываемого фотосинтезом кислорода. Когда говорят о большой экологической роли планктона, следует учитывать, что именно диатомовые — одна из его основных составляющих.

Как говорится в опубликованной в Scientific Reports статье, экзоскелеты диатомовых «являются неисчерпаемым источником вдохновения для разработки новых материалов и устройств». Они уже применяются для очистки воды от тяжёлых металлов и в качестве мягких абразивных веществ в составе зубной пасты. В числе технологий, которые могут выиграть от воспроизведения структуры этого панциря, — микроэлектромеханические системы (чувствительные, компактные и энергоэффективные микрофоны) и фотонные интегральные схемы (высокопроизводительные и энергосберегающие устройства).

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 «Сколтеха» продолжают испытывать имеющиеся гипотезы и уточнять понимание этого объекта. Сочетая атомно-силовую микроскопию и наноиндентирование (на образец надавливают алмазной иглой и регистрируют его деформацию), исследователи изучили механические свойства высушенных и влажных, не очищенных от органики панцирей диатомовых водорослей диаметром 30–40 мкм. 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).

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).