Морская губка и ее оптические волокна
Губки строят стеклянные структуры, представляющие собой чудо инженерии
Когда вы последний раз говорили по телефону или подключались к Интернету, вы, скорее всего, использовали оптические волокна. Мы много слышим о них, но что именно они собой представляют? Это очень тонкие волокна из стекла (всего вдвое толще человеческого волоса). Они состоят из стержня и оболочки, сделанной из другого вида стекла. Свет путешествует внутри волокна и передает сигналы, которые могут воспроизводить информацию (звук, изображение и т.д.). Лучи света не покидают волокно, так как оболочка полностью отражает их обратно внутрь стержня.
Изобретение оптических волокон произвело в свое время революцию в сфере телекоммуникаций. Но вот, что интересно: морская губка Euplectella растит стеклянные спикулы, которые являются отличными оптическими волокнами.
Украшение морского дна
Губки относятся к примитивным беспозвоночным животным. Они крепко прикрепляются к морскому дну, проводя всю свою жизнь неподвижно. У губок нет тканей, органов, дыхательной или кровеносной системы. Они поддерживают свое существование, прокачивая воду через свои пористые тела и извлекая из нее маленькие питательные частицы и растворенные вещества. Все губки характеризуются многочисленными порами на внешней поверхности. Вода, втягиваясь через эти поры, течет через трубчатые каналы и выходит через одно или несколько больших отверстий. Губки ежедневно прокачивают огромное количество воды, превышающее до 20 000 раз их собственный объем (!) Существует около 6000 видов этих созданий.
Многие губки образуют сложные и прекрасные формы - красочные трубки, вазы, корзины, цилиндры и т.п. Для поддержания таких структур они обладают внутренним скелетом, построенным из игл (спикул). Интересно отметить, что эти простые создания умеют выстраивать свои спикулы из минеральных веществ или протеиновых волокон.
Рис 1. Стеклянные губки на глубине 500 м.
Существует класс так называемых стеклянных губок, которые строят свой скелет из диоксида кремния (см. Рис 1). Они растят спикулы, которые удивительным образом соединяются вместе для построения "стеклянного домика".
Самая известная разновидность этого класса - это вид Euplectella, известная еще как Цветочная корзина Венеры. Ее скелет представляет собой решетку из диоксида кремния, которая образует замысловатую цилиндрическую комнату (см. Рис 2). В ней обычно живет пара креветок. У основания губки находится пучок волокон. Исследователи из Bell Labs продемонстрировали, что изящные спикулы этой губки являются отличными оптическими волокнами.
Рис 2. Замысловатый цилиндрический скелет губки Цветочная корзина Венеры. Сеть больших спикул соединяется вместе для формирования решеточной структуры.
Фантастические волокна
Их длина составляет 5-15 см, а диаметр - 40-70 микронов (толщина человеческого волоса). Ученые были поражены сходством оптических волокон губок с волокнами, которые разрабатывались людьми в течение многих лет.
У спикул губок довольно сложное строение - стержень из чистого кварцевого стекла окружен концентрическими слоями из органики и слоистой оболочки. Оболочка играет роль покрытия, как и в искусственных волокнах, делая спикулы отличными проводниками света.
Волокна губки имеют ряд преимуществ перед искусственными. Во-первых, они производятся при низкой температуре в водах океана. Коммерческие волокна производятся с помощью дорогого оборудования при высоких температурах в печи.
Исследователь губок Джоанна Айзенберг отметила: «Если бы мы только смогли научиться у природы, мы, возможно, в будущем открыли бы альтернативный способ производства оптических волокон». Во-вторых, волокна губки очень прочные - они не трескаются и не разламываются как искусственные, у которых маленькая трещина начинает легко распространяться по хрупкому материалу.
Замена кабелей или их ремонт является дорогой процедурой. Границы между тонкими слоями спикул губки останавливают распространение трещины. В то же время волокна губки очень гибкие - вы можете связать их в узел, и при этом они не потеряют своих оптических свойств.
Губки могут показаться простыми и мягкими, но некоторые из обитающих глубоко в океанах губок строят сложные стеклянные структуры, являющие собой чудо инженерии.
В-третьих, они отлично проводят свет, так как содержат небольшое количество ионов натрия, которые улучшают оптические свойства. Губка умеет добавлять эти ионы контролируемым образом, используя органические молекулы при нормальных температурах. Искусственные волокна производятся при высоких температурах, чтобы частично расплавлять стекло. В этом случае добавление контролируемых количеств ионов натрия представляет проблему для производителей.
Секрет непрост
В чем же секрет волокон губки? И как она их производит? Исследователи из Bell Labs обнаружили, что каждое волокно губки состоит из отдельных слоев с разными оптическими свойствами. Концентрические кремниевые цилиндры с органическим содержанием окружают внутренний стержень, который построен из чистого кварцевого стекла (См. Рис 3). Губка использует множество слоев стекла, которые удерживаются органическим клеем, что делает структуру чрезвычайно стойкой к разломам и трещинам. Губка производит крепкие микроскопические волокна, склеивая вместе тонкие слои стекла. Затем она собирает слоистые волокна вместе для еще большей прочности. Это похоже на связку веток. Эти связки потом размещаются в виде решетки. Однако то, каким образом губка это выполняет, все еще остается тайной.
Рис 3. Структура спикулы губки Euplectella. SEM фотография спикулы в поперечном сечении, показывающая органический филамент (OF), центральный цилиндр (CC), и слоистое покрытие (SS).
Морская губка научит архитекторов
Однако на этом чудеса дизайна не заканчиваются. Оказалось, что морская губка обладает уникальными структурными свойствами, которые придают механическую прочность и стабильность ее хрупкому материалу.
Губка Euplectella использует набор трюков для превращения ее хрупкого скелета в крепкие структуры. Спикулы, составляющие скелет губки, устроены в форме решетки согласно открытой перекрещивающейся модели, усиленной слоем бесструктурного студенистого вещества (мезоглеи), которые идут по диагонали в обоих направлениях внутри чередующихся квадратов (см. Рис 4).
Эта технология строительства часто используется в высотных строениях и домах для противодействия напряжению при землетрясении или касательному напряжению, которое спокойно может обвалить неусиленную квадратную структуру.
Последние исследования обнаружили семь разных уровней структурной иерархии у губки. Каждый структурный уровень соответствует фундаментальным принципам строительства и инженерии, которые широко используются в инженерном проектировании, но при этом в масштабе в 1000 раз меньше, чем здание.
«Скелет этого создания - просто учебник по инженерной механике, предлагает ценные знания, которые приведут к новым концепциям в материаловедении и инженерном проектировании» - отметила Джоанна Айзенберг.
Рис 4. Структурные детали морской губки Euplectella соответствуют инженерным принципам, используемым в конструкциях зданий, таких как Swiss Re Tower в Лондоне, отеле De Las Artes в Барселоне и Эйфелевой башне в Париже.
Технологии будущего
Ученые надеются скопировать биологические процессы губки для производства усовершенствованных волокон и систем, но при этом признают, что «современные технологии пока не могут конкурировать с изощренными оптическими системами организмов».
Морская губка может научить инженеров и архитекторов тому, как строить удивительно прочные структуры из хрупкого материала.
«Эти губки идеально устрояются, с точным количеством материала, необходимым для оптимизации дизайна. Я не могу представить, как структура такой сложности может быть произведена случайно» - говорит Айзенберг.
