Научный мир уверен, что природа ещё не раз поможет в решении сложных инженерных задач и вдохновит на создание новых технологий. В этот раз на удивительные идеи подтолкнуло исследование диатомовых водорослей — одноклеточного организма с поразительными свойствами, который может стать прообразом ряда прорывных проектов. По образу и подобию стеклянного пористого панциря диатомей можно сконструировать мембрану для миниатюрного сверхчувствительного и энергосберегающего микрофона или фотонный кристалл — так называется ключевая составляющая быстрых и энергоэффективных оптоэлектронных микросхем будущего. Впервые механические характеристики экзоскелета изучила группа учёных Сколтеха и Оксфорда. Научная работа опубликована в журнале Scientific Reports, сообщается на сайте Сколтеха.

 Диатомовые — обширная группа одноклеточных водорослей с характерным твёрдым, легким и пористым панцирем из диоксида кремния. В ходе эволюции эти организмы так хорошо приспособились к условиям существования как в солёных, так и в пресноводных водоёмах разного состава и температур, что смогли успешно заселить практически все водоёмы на Земле. На их долю приходится четверть всей биомассы, производимой на планете, а также пятая часть всего вырабатываемого фотосинтезом кислорода. Когда говорят об экологической и климатической роли планктона, следует понимать, что именно диатомовые — одна из его основных составляющих.

Как говорится в статье научного коллектива, подобные стеклянному кружеву экзоскелеты диатомовых «являются неисчерпаемым источником вдохновения для разработки новых материалов и устройств». Они уже применяются для очистки воды от тяжёлых металлов, а также в качестве мягких абразивных веществ в составе зубной пасты. В числе технологий, которые могут выиграть от воспроизведения структуры этого панциря, — микроэлектромеханические системы и фотонные интегральные схемы. Первые представляют собой основу для чувствительных, компактных и энергоэффективных микрофонов, а вторые могут стать основой для высокопроизводительных и энергосберегающих устройств, обрабатывающих информацию в форме света, а не электрических импульсов (как в современной электронике).

Диатомовые привлекли внимание учёных вскоре после изобретения оптического микроскопа в XVII веке. Но науке до сих пор многое о них неизвестно, и исследования вроде новой работы учёных из Сколтеха продолжают испытывать имеющиеся гипотезы и уточнять понимание этого объекта. Микроскопы совершенствуются, и это лишь подстёгивает любопытство учёных. Сочетая атомно-силовую микроскопию и наноиндентирование (на образец надавливают алмазной иглой и регистрируют его деформацию), научный коллектив изучил механические свойства как высушенных, так и влажных, не очищенных от органики панцирей диатомовых водорослей диаметром 30–40 микрометров. Самая интересная особенность, которая обнаружилась, — это различие между более жёстким внутренним слоем, который служит своего рода фундаментом, и более мягким и пористым внешним слоем над ним: под циклической нагрузкой панцирь водоросли колеблется, не ломаясь, что послужило подтверждением гипотезы учёных о причинах его гибкости и прочности. Такое поведение, как и сравнительные механические характеристики живых клеток и очищенных от органики панцирей, исследователи наблюдали и проанализировали впервые.

В коллективе считают, что дальнейшее исследование панцирей диатомовых водорослей сделает возможными прорывные технологические решения, от мембран для оптоакустических эндоскопов или MEMS-микрофонов, даже внешне напоминающих эти водоросли, и вплоть до новых композитных материалов, которые будут воспроизводить структуру диатомеи с добавлением других компонентов и функций.