Biologiskt inspirerad ingenjörskonst för att producera biomimetiska material och byggnadsställningar sker vanligtvis i mikro- eller nanoskala. I en ny studie om Vetenskapens framsteg , Iaroslav Petrenko och ett multidisciplinärt globalt forskarlag, föreslagit användning av naturligt prefabricerade, tredimensionella (3-D) svampställningar för att bevara molekylära detaljer över större, prover i centimeterskala. Under materialkarakteriseringsstudier, forskare kräver storskaliga prover för att testa funktioner i nanoskala. Den naturligt förekommande kollagenresursen innehöll en finskalig struktur, stabil vid temperaturer upp till 1200 ⁰ C med potential att producera upp till 4 x 10 cm 3-D mikrofibrös och nanoporös grafit för karakterisering och katalytiska tillämpningar. De nya fynden visade exceptionellt bevarade nanostrukturella egenskaper hos trippelhelixkollagen i den turbostratiska (feljusterade) grafiten. Den förkolnade svampen liknade formen och den unika mikroarkitekturen hos den ursprungliga svampställningen. Forskarna galvaniserade sedan kompositerna för att bilda ett hybridmaterial med utmärkt katalytisk prestanda som observerats i både sötvatten och marina miljöer.

Extrem biomimetik är sökandet efter naturliga källor till ingenjörsinspiration, att erbjuda lösningar på befintliga syntetiska strategier. Bioingenjörer och materialforskare strävar efter att skapa oorganiska-organiska hybridmaterial som är resistenta mot hårda kemiska och termiska mikromiljöer för att efterlikna naturligt prefabricerad 3D-arkitektur. Till exempel, forskare har använt marina svampar som ett produktivt modellsystem för att utveckla nya, hierarkiskt strukturerade 3D-kompositer med förnybara, giftfria ekologiska ställningar. Under dess utveckling för 600 miljoner år sedan, marina demosponger hade producerat konstruktioner som sträckte sig från centimeter till meter skala, med potentiella tillämpningar för närvarande inom materialforskning.

Den fibrösa komponenten i svampskelettet känd som spongin, tillhör kollagenöverfamiljen och är i fokus inom materialteknik på grund av dess nanoarkitektoniska organisation och biomekaniska beteende. Strukturellt sett kollagenliknande spongin har flera nivåer, bestående av 100 µm tjocka enkelfibrer och nanofibrer, kombineras till komplexa 3-D hierarkiska nätverk med hög makroporositet. På grund av spongins termostabilitet på upp till 360 ⁰ C och dess motståndskraft mot syror, forskare har använt sponginbaserade ställningar i hydrotermiska syntesreaktioner för att utveckla järnoxid (Fe ₂ O ₃ ) och titandioxid (TiO ₂ -)-baserade kompositer för elektrokemiska och katalytiska ändamål. Forskare hade också förkolnade svampställningar för att utveckla mangandioxid i centimeterskala (MnO) ₂ )-baserade superkondensatorer.

I nuvarande trender inom materialvetenskap, forskare strävar efter att utveckla kolmaterial med kontrollerad mikroarkitektur och morfologi i stor skala med förnybara och biologiskt nedbrytbara naturliga källor. Nyligen genomförda studier har rekommenderat lämpligheten av strukturella proteiner som keratin, kollagen och silke för förkolning mellan 200 ⁰ C till 800 ⁰ C och till och med upp till 2800 ⁰ C i temperatur. Ändå, studier om svampliknande, färdiga kolställningar med hierarkiska porer och 3D-anslutna skelett har hittills inte rapporterats.

Som ett resultat, Petrenko et al. utvecklat nya 3D-förkolnade sponginställningar genom att kombinera hierarkisk komplexitet från nanometer- till centimeterskalan, klarar temperaturer över 1200 ⁰ C, samtidigt som arkitekturen i nanoskala behålls. Forskargruppen antog möjligheten att omvandla spongin till kol vid höga temperaturer, utan förlust av dess form eller strukturella integritet för att gynna dess funktionalisering till en katalysator. I det nya verket, de beskrev det första framgångsrika försöket att designa en 3-D karboniserad spongin Cu/Cu i centimeterskala ₂ O katalytiskt material som använder en extrem biomimetikstrategi. Forskargruppen visade sedan materialets förmåga att effektivt katalysera reduktionen av 4-nitrofenol (4-NP) till 4-aminofenol (4-AP) i sötvatten och marina miljöer.

Forskarna värmde först upp svampskeletten för att direkt förkolna dem. Den karboniserade sponginen minskade i volym men bibehöll ett 3D-fibröst utseende och en ökad densitet jämfört med nativ spongin. Forskargruppen analyserade sedan det kolhaltiga materialet med hjälp av ¹³ C kärnmagnetisk resonans (NMR) spektroskopi för att förstå dess strukturkemi. Jämfört med tidigare resultat, teamet fann att materialet liknade amorf grafit innehållande ordnade, grafitliknande domäner. De bekräftade fynden med hjälp av röntgendiffraktion (XRD) och Ramanspektroskopi. Teamet bekräftade konstitutionen av grafiten (erhållen från spongin) med hjälp av högupplöst transmissionselektronmikroskopi (HRTEM), snabb Fourier-transformation (FFT) och vald-area elektrondiffraktion (SAED) tekniker. Elektronenergiförlustspektroskopi-mätningarna (EELS) för karboniserad spongin motsvarade tidigare resultat.

På nanoskala, grafit nanokluster producerade en porös struktur, vilket Petrenko et al. undersöktes med en TEM-mikroskopi (transmission elektronmikroskopi) av den förkolnade svampen för att avslöja ett kollagenbaserat fibrillärt protein. De observerade nanostrukturer med pärlliknande kedjor och periodiciteter, as well as the preservation of structural features of the collagen helix after carbonization of spongin. Fourier transform images revealed a hexagonal lattice at the nanoscale and the scientists verified the transformation of collagen-based spongin into a hexagonal carbon structure. 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. Vanligtvis, 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 detta arbete, 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 det här sättet, 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