Mokslininkams pavyko sukurti sintetinius kristalus

Mokslininkams pavyko sukurti sintetinius kristalus, kurie savo sandara ir savybėmis atkartoja natūraliai gamtoje aptinkamus biomineralus, pavyzdžiui, geldeles.

Gauti rezultatai, publikuoti prestižiniame žurnale „Nature Materials“, gali būti itin svarbūs kuriant didelio našumo medžiagas, kurias nebūtų sudėtinga gaminti esant aplinkai draugiškoms sąlygoms.

Biologiniai mineralai, vadinamai tiesiog biomineralais, gamtoje aptinkami gausiai – užtenka paminėti tokias struktūras kaip kaulus, dantis ar geldeles. Šie dariniai pasižymi nepaprastomis savybėmis, kurios nebūdingos sintetiniams jų analogams.

Pagrindinė biomineralų ypatybė yra ta, kad jie yra sudėtinės medžiagos, sudarytos iš neorganinių mineralų, pavyzdžiui, kalcio karbonato, turinčių savyje nedidelį organinės medžiagos kiekį (dažniausiai baltymą).

Tokios struktūros yra neįtikėtinai tvirtos, o jų mechaninės savybės gali pranokti tokius dirbtinius darinius kaip keramiką, kuriai išgauti reikalinga aukšta temperatūra ir slėgis – gerokai apsunkinantys norimų medžiagos savybių suderinimą.

Mokslininkai norėtų išsiaiškinti, kaip gamta sugeba priimti tokius tikslius inžinerinius sprendimus vandenyje ir dar esant aplinkos temperatūrai. Tai žinodami, tyrėjai tikisi patobulinti kur kas draugiškesnių aplinkai sintetinių medžiagų gamybos metodus.

Visai neseniai mokslininkų komandai, kuriai vadovavo Lidso universiteto Chemijos mokyklos (Jungtinė Karalystė) profesorė Fiona Meldrum, pavyko sukurti dirbtinius biomineralus, pasižyminčius savybėmis, kurios primena natūralius biomineralus, pavyzdžiui, jūrų ežio spyglius.

Tai pavyko, nes kalcito kristalai buvo auginami veikiant sintetinėms polimerų nanodalelėms, kurios atliko dirbtinių baltymų vaidmenį. Šios nanodalelės įmaišomos į auginamo kristalo struktūrą, kad būtų suformuota sudėtinė medžiaga.

Tyrėjai taip pat išbandė kompozitinės medžiagos mechanines savybes. Tam jie panaudojo mažą kaltą primenantį įrankį, galintį paveikti medžiagą ir užfiksuoti jos atsaką į jėgą.

„Šis sintetinių biomineralų gamybos metodas leidžia pažvelgti į šių neįtikėtinų medžiagų sandarą ir padeda suprasti, kaip organinės molekulės mikroskopiniu lygmeniu yra įmaišomos į kristalo sandarą, – pasakoja profesorė. – Tuomet mes mikroskopinę sandarą galime susieti su mechaninėmis medžiagos savybėmis“.

„Mes išsiaiškinome, jog mūsų sukurtasis dirbtinis biomineralas yra iš tikrųjų kur kas tvirtesnis už gryną kalcio mineralą, nes jis – sudėtinė medžiaga. Tai reiškia, kad prie kieto pagrindo pridėjus kažką minkšto, galima sukurti darinį, kuris savo tvirtumu pralenks abi jo sudedamąsias dalis“.

„Biologinės kalcio karbonato pagrindo struktūros pasižymi didesniu kietumu už grynus mineralus, kurių sudėtyje nėra baltymų, – antrina kolegei straipsnio bendraautoris profesorius Stivenas Eikhornas (Stephen Eichhorn), visai neseniai iš Mančesterio universiteto persikėlęs į Ekseterio universitetą (Jungtinė Karalystė). – Pažymėtina tai, kad mums pavyko pasiekti tą patį rezultatą naudojant sintetinį pseudobaltymą“.

„Kuomet aš Mančesteryje pradėjau tyrinėti mechanines geldelės savybes, kartu su savo doktorantu pajūryje jas tiesiog kastuvu semdavome į kibirus. Aš net nenutuokiau, jog mes pasieksime tokį etapą, kai pajėgsime matuoti panašias medžiagų, susintetintų laboratorijoje, savybes“.

Toliau tyrėjai savo technologiją bandys pritaikyti kitoms medžiagoms.