Морська губка (euplectella) джерело нових технологій
Губки будують скляні структури, що представляють собою диво інженерії
Коли ви останній раз говорили по телефону або підключалися до Інтернету, ви, швидше за все, використовували оптичні волокна. Ми багато чуємо про них, але що саме вони є? Це дуже тонкі волокна зі скла (всього вдвічі товщі людської волосини). Вони складаються з стрижня і оболонки, зробленої з іншого виду скла. Світло подорожує всередині волокна і передає сигнали, які можуть відтворювати інформацію (звук, зображення і т.д.). Промені світла не покидають волокно, так як оболонка повністю відображає їх назад всередину стрижня.
Винахід оптичних волокон справило свого часу революцію в сфері телекомунікацій. Але ось, що цікаво: морська губка Euplectella ростить скляні спікули, які є відмінними оптичними волокнами.
Прикраса морського дна
Губки відносяться до примітивних безхребетних тварин. Вони міцно прикріплюються до морського дна, проводячи все своє життя нерухомо. У губок немає тканин, органів, дихальної або кровоносної системи. Вони підтримують своє існування, прокачувати воду через свої пористі тіла і витягуючи з неї маленькі поживні частинки і розчинені речовини. Всі губки характеризуються численними порами на зовнішній поверхні. Вода, втягуючись через ці пори, тече через трубчасті канали та виходить через одне або кілька великих отворів. Губки щодня прокачують величезна кількість води, що перевищує до 20 000 разів їх власну обсяг (!) Існує близько 6000 видів цих створінь.
Багато губки утворюють складні і прекрасні форми - барвисті трубки, вази, кошики, циліндри і т.п. Для підтримки таких структур вони володіють внутрішнім скелетом, побудованим з голок (спікули). Цікаво відзначити, що ці прості створення вміють вибудовувати свої спікули з мінеральних речовин або протеїнових волокон.
Рис 1. Скляні губки на глибині 500 м.
Існує клас так званих скляних губок, які будують свій скелет з діоксиду кремнію (див. Рис 1). Вони виховують спікули, які дивним чином поєднуються разом для побудови "скляного будиночка".
Найвідоміша різновид цього класу - це вид Euplectella, відома ще як Квіткова кошик Венери. Її скелет являє собою грати з діоксиду кремнію, яка утворює хитромудру циліндричну кімнату (див. Рис 2). У ній зазвичай живе пара креветок. У підстави губки перебуває пучок волокон. Дослідники з Bell Labs продемонстрували, що витончені спікули цієї губки є відмінними оптичними волокнами.
Рис 2. Хитромудрий циліндричний скелет губки Квіткова кошик Венери. Мережа великих спикул з`єднується разом для формування решеточной структури.
фантастичні волокна
Їх довжина становить 5-15 см, а діаметр - 40-70 мікронів (товщина людської волосини). Вчені були вражені схожістю оптичних волокон губок з волокнами, які розроблялися людьми протягом багатьох років.
У спикул губок досить складну будову - стрижень з чистого кварцового скла оточений концентричними шарами з органіки і шаруватої оболонки. Оболонка грає роль покриття, як і в штучних волокнах, роблячи спікули відмінними провідниками світла.
Волокна губки мають ряд переваг перед штучними. По-перше, вони виробляються при низькій температурі в водах океану. Комерційні волокна виробляються за допомогою дорогого устаткування при високих температурах в печі.
Дослідник губок Джоанна Айзенберг зазначила: «Якби ми тільки змогли навчитися у природи, ми, можливо, в майбутньому відкрили б альтернативний спосіб виробництва оптичних волокон».По-друге, волокна губки дуже міцні - вони не тріскаються і не розламується як штучні, у яких маленька тріщина починає легко поширюватися по крихкому матеріалу.
Заміна кабелів або їх ремонт є дорогою процедурою. Межі між тонкими шарами спикул губки зупиняють поширення тріщини. У той же час волокна губки дуже гнучкі - ви можете пов`язати їх в вузол, і при цьому вони не втратять своїх оптичних властивостей.
Губки можуть здатися простими і м`якими, але деякі з мешкають глибоко в океанах губок будують складні скляні структури, що являють собою диво інженерії.
По-третє, вони відмінно проводять світло, так як містять невелику кількість іонів натрію, які покращують оптичні властивості. Губка вміє додавати ці іони контрольованим чином, використовуючи органічні молекули при нормальних температурах. Штучні волокна виробляються при високих температурах, щоб частково розплавляти скло. В цьому випадку додавання контрольованих кількостей іонів натрію становить проблему для виробників.
секрет непростий
У чому ж секрет волокон губки? І як вона їх виробляє? Дослідники з Bell Labs виявили, що кожне волокно губки складається з окремих шарів з різними оптичними властивостями. Концентричні кремнієві циліндри з органічним змістом оточують внутрішній стрижень, який побудований з чистого кварцового скла (Див. Рис 3). Губка використовує безліч шарів скла, які утримуються органічним клеєм, що робить структуру надзвичайно стійкою до розламів і тріщин. Губка виробляє міцні мікроскопічні волокна, склеюючи разом тонкі шари скла. Потім вона збирає шаруваті волокна разом для ще більшої міцності. Це схоже на в`язку гілок. Ці зв`язки потім розміщуються в вигляді решітки. Однак те, яким чином губка це виконує, все ще залишається таємницею.
Рис 3. Структура спікули губки Euplectella. SEM фотографія спікули в поперечному перерізі, що показує органічний филамент (OF), центральний циліндр (CC), і шарувату покриття (SS).
Морська губка навчить архітекторів
Однак на цьому чудеса дизайну не закінчуються. Виявилося, що морська губка має унікальні структурними властивостями, які надають механічну міцність і стабільність її тендітному матеріалу.
Губка Euplectella використовує набір трюків для перетворення її тендітного скелета в міцні структури. Спікули, складові скелет губки, влаштовані в формі решітки згідно відкритої перехрещується моделі, посиленою шаром бесструктурного драглистої речовини (мезоглеи), які йдуть по діагоналі в обох напрямках всередині чергуються квадратів (див. Рис 4).
Ця технологія будівництва часто використовується в висотних будівлях і будинках для протидії напруги під час землетрусу або дотичному напруженню, яке спокійно може обвалити неусиленном квадратну структуру.
Останні дослідження виявили сім різних рівнів структурної ієрархії у губки. Кожен структурний рівень відповідає фундаментальним принципам будівництва та інженерії, які широко використовуються в інженерному проектуванні, але при цьому в масштабі в 1000 разів менше, ніж будівля.
«Скелет цього створення - просто підручник з інженерної механіки, пропонує цінні знання, які приведуть до нових концепцій в матеріалознавстві і інженерному проектуванні» - зазначила Джоанна Айзенберг.
Технології майбутнього
Вчені сподіваються скопіювати біологічні процеси губки для виробництва удосконалених волокон і систем, але при цьому визнають, що «Сучасні технології поки не можуть конкурувати з витонченими оптичними системами організмів».
Морська губка може навчити інженерів і архітекторів того, як будувати дивно міцні структури з крихкого матеріалу.
«Ці губки ідеально будував їм, з точною кількістю матеріалу, необхідним для оптимізації дизайну. Я не можу уявити, як структура такої складності може бути проведена випадково » - говорить Айзенберг.
