Istraživači Skoltech-a su izvestili o još jednom prodoru u svojim istraživanjima dijatomeja, fascinantnih jednoćelijskih algi koje mogu da kriju mnoge tajne naprednih tehnoloških rešenja koja oponašaju prirodu.
Konkretno, ove alge služe kao modeli za membrane koje se koriste u minijaturnim mikrofonima visokih performansi sa malom potrošnjom energije, kao i za fotonske kristale, koji su neophodni za obradu svetlosnog signala u ultrabrzim uređajima budućnosti koji štede energiju. Studija je objavljena u Scientific Reports.
Dijatomeje su velika grupa jednoćelijskih algi sa karakterističnim tvrdim, laganim, poroznim školjkama napravljenim od silicijum dioksida, koje se nazivaju frustule. Izuzetno uspešan oblik života, dijatomeje su sveprisutne u okeanima i slatkovodnim tijelima, čineći čak četvrtinu organskog materijala na Zemlji. Oni hvataju ugljen-dioksid fotosintezom i obezbeđuju oko jedne petine celokupnog snabdevanja kiseonikom na planeti. Dijatomeje su jedna od glavnih komponenti planktona.
„Evolucioni uspeh i značaj dijatomeja za stanište na Zemlji znači da je njihova struktura istovremeno optimalna u mnogim aspektima — fotonski, mehanički, biohemijski — dok istovremeno minimizira težinu i potrošnju materijala“, rekao je Aleksej Salimon, viši inženjer istraživanja u Skoltech Engineering i Katedre za fizičku hemiju u NUST MISIS, koji je omogućio dugoročnu saradnju u inženjerstvu primenjenih materijala između dva instituta.
Zamršeni čipkasti egzoskeleti dijatomeja „pružaju beskrajan izvor inspiracije za razvoj novih materijala i uređaja“, kaže se u članku u Scientific Reports.
Već se koriste za uklanjanje teških metala iz vode i kao blagi abrazivi u pastama za zube. Među tehnologijama koje bi mogle imati koristi od komponenti koje oponašaju dijatomejske frustule su mikroelektromehanički sistemi i fotonska integrisana kola. Prvi su osnova takozvanih MEMS mikrofona, koji su osetljivi, kompaktni i energetski efikasni. Potonji su mikročipovi koji rade na fotonima — brža i energetski efikasnija alternativa današnjoj mikroelektronici.
„Da bi koristili ove strukture u biomimetičkoj tehnologiji, inženjerima je potrebno detaljno razumevanje njihovog ponašanja i sastava“, kažu glavni autor studije, dr Skoltech Photonics i učenica Julijana Cvjetinović. „Ova posebna studija pruža nove uvide bez presedana u to kako su statička i dinamička mehanička svojstva dijatomejske frustule povezana sa njihovom strukturom.“
Dijatomeje su privukle pažnju naučnika ubrzo nakon pronalaska optičkog mikroskopa u 17. veku. Iako je naše razumevanje ovih algi još uvek nepotpuno, naši mikroskopski alati su takođe postali bolji i svestraniji.
Aleksandar Korsunski sa Univerziteta u Oksfordu, glavni istraživač studije i gostujući profesor na Skoltehu, rekao je: „Posle četvrt veka mog rada na ovoj temi, za mene je zadovoljstvo da vidim dobru upotrebu nanoindentacije unutar Tescan Solaris fokusirani skenirajući elektronski mikroskop sa jonskim snopom, koji je nabavio Skoltech po mojoj preporuci i koji se sada nalazi u Institutu za napredno jezgro snimanja.“
„Virtuozna upotreba ove složene postavke od strane Judžina Statnika i Pavela Somova omogućila je prikupljanje jedinstvenih video dokaza deformacije dijatomeja, dok je majstorska primena mikroskopije atomske sile Sergeja Lučkina omogućila kvantitativnu procenu modula elastičnosti i tvrdoće.“
Kombinovanjem mikroskopije atomske sile i nanoindentacije – to jest, probijanjem uzorka dijamantskim vrhom i merenjem njegovog otklona – tim je istražio mehanička svojstva i osušenih i vlažnih, sa netaknutim organskim materijalom. Analiza je obuhvatila tvrdoću, fleksibilnost i vibracione karakteristike, istražujući kako su one povezane sa složenom strukturom frustula sa dva sloja i različitim šarama pora iznutra i spolja. Ispitane alge su se kretale od 30 do 40 mikrometara u prečniku.
„Možda je najuzbudljivija karakteristika koju smo identifikovali ova razlika između tvrđeg unutrašnjeg sloja koji služi kao osnova i mekšeg i poroznijeg spoljašnjeg sloja na njegovom vrhu. Bilo je uzbudljivo videti kako frustule osciluju, ali se ne lome pod cikličnim opterećenjem , potvrđujući našu pretpostavku o poreklu njihove fleksibilnosti i čvrstoće. Mi smo prvi koji smo primetili ovo ponašanje i izneli uporedne mehaničke karakteristike živih ćelija dijatomeja i očišćenih frustula bez organskih komponenti“, dodaje Cvjetinović.
Glavni istraživač studije, profesor Dmitrij Gorin, koji je na čelu laboratorije za biofotoniju Skoltech-a, rekao je: „Verujemo da će dalja istraživanja dijatomejske frustule na kraju obezbediti put do raznolikog spektra trenutno očekivanih primena – od MEMS membrana mikrofona koje su vidljivo podsećaju alge na kompozitne materijale koji repliciraju strukturu dijatomeja i uključuju dodatne komponente i funkcije.“
