Ekstrem biomimetik - søgen efter naturlige kilder til materialeteknisk inspiration

Biologisk inspireret teknik til fremstilling af biomimetiske materialer og stilladser forekommer typisk i mikro- eller nanoskalaen. I en ny undersøgelse om Videnskab fremskridt , Iaroslav Petrenko og et tværfagligt globalt forskerhold, foreslog brug af naturligt præfabrikerede, tredimensionelle (3-D) svampestilladser for at bevare molekylære detaljer på tværs af større, centimeterskala prøver. Under undersøgelser af materialekarakterisering, forskere kræver store prøver for at teste nanoskala funktioner. Den naturligt forekommende kollagenholdige ressource indeholdt en finskala struktur, stabil ved temperaturer op til 1200 ⁰ C med potentiale til at producere op til 4 x 10 cm 3D-mikrofiber og nanoporøs grafit til karakterisering og katalytiske anvendelser. De nye fund viste usædvanligt bevarede nanostrukturelle træk ved triple-helix kollagen i den turbostratiske (forkert justerede) grafit. Den kulsyreholdige svamp lignede formen og den unikke mikroarkitektur af det originale svampestillads. Forskerne galvaniserede derefter kobbermaterialerne til dannelse af et hybridmateriale med fremragende katalytisk ydeevne observeret i både ferskvand og marine miljøer.

Ekstrem biomimetik er søgen efter naturlige kilder til teknisk inspiration, at tilbyde løsninger på eksisterende syntetiske strategier. Bioingeniører og materialeforskere sigter mod at skabe uorganiske-organiske hybridmaterialer, der er modstandsdygtige over for hårde kemiske og termiske mikromiljøer for at efterligne naturligt præfabrikeret 3D-arkitektur. For eksempel, forskere har brugt marine svampe som et produktivt modelsystem til at udvikle nye, hierarkisk strukturerede 3D-kompositter med vedvarende, ikke-giftige organiske stilladser. Under udviklingen for 600 millioner år siden, marine demosponges havde produceret konstruktioner fra centimeter til meter skala, med potentielle anvendelser i øjeblikket i materialeforskning.

Den fibrøse komponent i svampens skelet, kendt som svampe, tilhører kollagen suprafamilien og er fokus i materialeteknik på grund af dets nano-arkitektoniske organisation og biomekaniske adfærd. Strukturelt, kollagenlignende spongin har flere niveauer, bestående af 100 µm tykke enkeltfibre og nanofibre, kombineret til komplekse 3D-hierarkiske netværk med høj makroporøsitet. På grund af spongins termostabilitet på op til 360 ⁰ C og dets resistens over for syrer, forskere har brugt svampebaserede stilladser i hydrotermiske syntesereaktioner til at udvikle jernoxid (Fe ₂ O ₃ ) og titandioxid (TiO ₂ -)-baserede kompositter til elektrokemiske og katalytiske formål. Forskere havde også karboniseret svampestilladser for at udvikle centimeters skala mangandioxid (MnO ₂ ) -baserede superkapacitorer.

I de nuværende tendenser inden for materialevidenskab, forskere sigter mod at udvikle kulstofmaterialer med kontrollerede mikroarkitekturer og morfologier i stor skala ved hjælp af vedvarende og bionedbrydelige naturlige kilder. Nylige undersøgelser har anbefalet egnetheden af ​​strukturelle proteiner såsom keratin, kollagen og silke til karbonisering mellem 200 ⁰ C til 800 ⁰ C og endda op til 2800 ⁰ C i temperatur. Alligevel, undersøgelser af svampelignende, klar til brug kulstofstilladser med hierarkiske porer og 3D-forbundne skeletter, der hidtil ikke er rapporteret.

Som resultat, Petrenko et al. udviklet nye 3D-carboniserede svampestilladser ved at kombinere hierarkisk kompleksitet fra nanometer til centimeter skala, stander temperaturer over 1200 ⁰ C, samtidig med at nanoskala arkitektur bevares. Forskergruppen antog muligheden for at omdanne spongin til kul ved høje temperaturer, uden tab af sin form eller strukturelle integritet for at favorisere dens funktionalisering til en katalysator. I det nye værk, de detaljerede den første vellykkede indsats for at designe en centimeters skala 3-D carboniseret spongin Cu/Cu ₂ O katalytisk materiale ved hjælp af en ekstrem biomimetisk strategi. Forskergruppen demonstrerede derefter materialets evne til effektivt at katalysere reduktionen af ​​4-nitrophenol (4-NP) til 4-aminophenol (4-AP) i ferskvand og marine miljøer.

Forskerne opvarmede først svampeskeletterne for direkte at karbonisere dem. Den kulsyreholdige spongin faldt i volumen, men bevarede et 3-D fibrøst udseende og en øget densitet sammenlignet med native spongin. Forskergruppen analyserede derefter det kulstofholdige materiale ved hjælp af ¹³ C nuklear magnetisk resonans (NMR) spektroskopi for at forstå dens strukturelle kemi. Sammenlignet med tidligere resultater, teamet fandt materialet til at ligne amorf grafit indeholdende bestilt, grafitlignende domæner. De bekræftede fundene ved hjælp af røntgendiffraktion (XRD) og Raman-spektroskopi. Teamet bekræftede konstitueringen af ​​grafitten (hentet fra spongin) ved hjælp af højopløselig transmissionselektronmikroskopi (HRTEM), hurtig Fourier-transformation (FFT) og elektron-diffraktion (SAED) -teknikker i udvalgte områder. Elektronenergitabspektroskopispektra (EELS) målinger for kulsyreholdigt svamp svarede til tidligere resultater.

På nanoskala, grafit -nanoklusterne frembragte en porøs struktur, som Petrenko et al. undersøgt ved hjælp af et TEM (transmissionselektronmikroskopi) mikrograf af den karboniserede svamp for at afsløre et kollagenbaseret fibrillærprotein. De observerede nanostrukturer med perlelignende kæder og periodiciteter, samt bevarelse af strukturelle træk ved kollagenhelixen efter karbonisering af spongin. Fourier-transformationsbilleder afslørede et sekskantet gitter på nanoskalaen, og forskerne verificerede transformationen af ​​kollagenbaseret spongin til en sekskantet carbonstruktur. The research team then systematically investigated the structural and chemical changes of carbonization using additional materials characterization techniques. The results showed the gradual evolution of the material from carbon toward nanocrystalline graphite.

Since the electrical conductivity of carbon is a well-recognized property, the team functionalized the carbonized spongin scaffolds with copper using the electroplating method. After Petrenko et al. electroplated the material sample with copper (Cu) for 30s, the resulting 3-D carbonized scaffold resembled the architecture of the material prior to metallization. They then used Raman spectroscopy, XPS and X-ray absorption spectroscopy to identify the phases of Cu within the Cu/Cu ₂ O carbonized spongin scaffolds (known as CuCSBC). They followed the investigations using chemical and structural studies of the new, catalytic CuCSBC material.

The research team then tested the reduction reaction of 4-nitrophenol (4-NP) to 4-amino phenol (4-AP) in the presence of CuCSBC. Typisk, 4-NP constitutes pharmaceutical dyes and pesticides that contaminate marine ecosystems as a toxic water pollutant. The catalytic reduction of 4-NP in simulated seawater currently presents a great challenge to ecologists and environmental protection agencies worldwide. I det nuværende arbejde, when Petrenko et al. added 5 mg of CuCBSC to the system, they reduced 4-NP to 4-AP in simulated sea water and deionized water, within two minutes. The scientists credited the excellent catalytic performance of CuCSBC to its 3-D hexagonal and mesoporous structure and unique biomimetic carbonaceous support.

På denne måde, Iaroslav Petrenko and co-workers developed catalytically active, biomimetic materials using natural feedstock. They engineered centimeter-scale, mechanically stable carbon materials with controlled 3-D microarchitecture, using collagen matrices in a hybrid carbonization process and coated the spongin thermolysis products with copper. The researchers maintained the fine surface of 3-D carbon after functionalization with Cu/Cu ₂ O for the resulting CuCSBC product. The product showed exceptional potential and stability in simulated sea water at 5 ⁰ C and in deionized water. The team formed a renewable and stable biomimetic CuCSBC catalyst to remove 4-NP from contaminated marine environments. The materials engineering technique is economically feasible; to farm and cultivate spongin and form mechanically robust, carbonized versions in the lab. Future research will focus at the atomic scale of the materials architecture to provide further insight to form optimized and more efficient bioinspired materials.

© 2019 Science X Network