Биоминерализованная пробка

На этой фотографии, полученной при помощи растрового электронного микроскопа и затем раскрашенной, запечатлена пористая частица гексаферрита стронция (Sr₃Co₂Fe₂₄O₄₁) — продукт биоморфной минерализации коры пробкового дуба (Quercus suber). Получившаяся структура полностью повторяет структуру пробки — развитую систему трехмерных гексагональных пор размером порядка 20 мкм (порядка 200 миллионов штук на кубический сантиметр). Растению эти поры нужны для газообмена и транспирации (движения воды), а создателям биоминерала они могут понадобиться для транспорта по нему различных газов и жидкостей — например, при создании катализаторов и адсорбентов.

Биоморфная минерализация (см. Biomorphic mineralization) — это получение материалов с морфологией биологических объектов, на основе которых эти материалы создают. В качестве биологической матрицы для таких материалов используют самые разные объекты: биомолекулы (ДНК, белки), вирусы, микроорганизмы (бактерии и грибы), ткани растений (хлопок, древесина) и животных (крылья бабочек). В широком смысле биоморфной минерализацией называют и процессы, протекающие без участия человека. Например, образование окаменелостей (процесс замещения живых тканей минеральными отложениями) и даже формирование твердых покровов у многих организмов, которое происходит по тому же принципу (см. Биоминерализация, Biomineralization).

Биоморфная минерализация как синтетический подход связана с более широким понятием биомиметики (буквально «подражание жизни») — созданием устройств, приборов, механизмов или технологий, идея и основные элементы которых заимствуются из живой природы. Например, принцип структурной окраски живых организмов (см. Структурный цвет в живой природе) используется при создании цветных голограмм и декоративных материалов, а также различных типов сенсоров на фотонных кристаллах, которые меняют цвет под действием различных химических или физических факторов (см. картинку дня Оптическая морская мышь).

Материал, изображенный на картинке, представляет собой пример биомиметического подхода, основанного на темплатном синтезе из растительных тканей. Эти ткани привлекательны своей пористой микроструктурой — упорядоченным набором пор или вытянутых каналов вдоль направления роста. Поры и каналы нужны для транспорта жидкости и газов внутри растения. В данном случае в качестве темплата использовали одну из покровных тканей пробкового дуба — пробку, возобновляемое сырье, которое собирают каждые 9–13 лет, не нанося вреда растению (которое живет до 300 лет). Поэтому материал еще называют экокерамикой.

Биоморфную минерализацию древесины проводят следующим образом. На первом этапе древесину подвергают пиролизу (обугливанию путем нагрева более 900°С в токе аргона). В результате образуется высокопористый биоуглерод, в который затем проводят химическую инфильтрацию прекурсора из расплава, раствора или пара, то есть, по сути, пропитывают полученный углерод новым соединением, а излишки потом удаляют в вакууме. Инфильтрация в зависимости от состава прекурсора может сопровождаться реакцией с углеродом — например, расплав кремния реагирует с образованием карбида кремния. В любом случае, в результате процесса инфильтрации формируется композит, состоящий либо из углерода и прекурсора, либо из продукта взаимодействия прекурсора с углеродом и непрореагировавшего продукта. Путем дальнейшей химической или термической обработки удаляют примесные фазы и разлагают/окисляют прекурсор, добиваясь материала с заданной микроструктурой и составом.

Микроструктура биоуглерода, полученного пиролизом из пористых тканей различных типов древесины. Рисунок из статьи M. Singh et al., 2003. Environmentally conscious ceramics (ecoceramics) from natural wood precursors

Полученные таким образом биоморфные материалы на основе древесины перспективны в качестве конструкционных материалов. Благодаря высокой прочности и легкости из них можно делать имплантаты, а наличие открытой системы пор, по которой могут транспортироваться различные газы и жидкости, открывает возможности для разработки сорбентов и фильтров. Кроме того, гексаферрит стронция является перспективным «высокотемпературным» магнитоэлектриком (см. Магнит чувствует электрическое поле, «Химия и жизнь» №5, 2013). При этом небычная морфология практически никак не повлияла на свойства данного материала.

Фото из статьи R. C. Pullar, R. M. Novais, 2017. Ecoceramics.

Алексей Япрынцев