Российские и английские учёные впервые изучили кремниевые панцири водорослей — это пригодится в кремниевой фотонике, MEMS и не только

Диатомовые водоросли, чьи микроскопические кремниевые панцири напоминают изысканное стеклянное кружево, могут стать основой для технологического прорыва в микроэлектронике и оптотехнике. Международная группа ученых, объединившая исследователей из Сколтеха, НИТУ МИСИС и Оксфорда, впервые провела беспрецедентно детальное исследование физико-механических свойств этих природных структур. Результаты, опубликованные в авторитетном научном журнале, открывают путь к созданию сверхчувствительных микрофонов с рекордно низким энергопотреблением, фотонных кристаллов и элементов наномеханики, копирующих биологические образцы, отточенные эволюцией за миллиарды лет.

Природный эталон прочности и оптики: что скрывают панцири диатомей

Для анализа биологических объектов диаметром всего 30–40 микрометров ученые применили арсенал самых передовых методов, включая атомно-силовую микроскопию и наноиндентирование. В ходе последнего на образец воздействуют алмазной иглой, регистрируя малейшие деформации. Такой подход позволил впервые количественно оценить целый комплекс параметров: жесткость, упругость, устойчивость к вибрациям и способность к восстановлению формы после нагрузок. Ранее эти характеристики кремниевых экзоскелетов планктона оставались неизученными.

От фундаментальной науки к инженерным решениям

Полученные данные формируют надежную эмпирическую базу для будущих разработок в области оптроники, микроэлектромеханических систем (MEMS) и наномеханики. Как отмечает заведующий Кафедрой физической химии НИТУ МИСИС, старший инженер-исследователь Центра системного проектирования Сколтеха Алексей Салимон, эволюционный успех диатомовых водорослей и их ключевая роль в биосфере Земли напрямую связаны с оптимальностью их структуры. Эта структура одновременно решает задачи оптики, механики и биохимии, минимизируя при этом вес и расход материала.

Сами авторы исследования в Scientific Reports подчеркивают, что подобные стеклянному кружеву экзоскелеты служат «неисчерпаемым источником вдохновения» для материаловедения. Копируя архитектуру природных панцирей, инженеры смогут создавать устройства, которые превзойдут по характеристикам современные аналоги. Речь идет не только о микрофонах и фотонных кристаллах. Принципы, заложенные в строении диатомей, могут быть применены для разработки новых композитных материалов с уникальным сочетанием легкости и прочности.

Интерес к диатомовым водорослям не случаен. Эти одноклеточные организмы уже нашли практическое применение: их используют для очистки воды от тяжелых металлов и в качестве мягкого абразива в составе зубной пасты. Однако новое исследование выводит потенциал биомиметики на принципиально иной уровень. Вместо простого использования готового материала ученые предлагают инженерный подход — воспроизведение самой архитектуры природного объекта для создания высокотехнологичных наноустройств.

Долгое время изучение диатомей ограничивалось визуальным наблюдением и химическим анализом. Отсутствие точных данных об их механических и оптических свойствах сдерживало применение бионики в микроэлектронике. Нынешняя работа российских и британских ученых закрывает этот пробел, предоставляя инженерам конкретные цифры и модели. Ожидается, что это станет катализатором для появления целого класса новых устройств, работающих на принципах, подсмотренных у природы, и способных радикально изменить рынок сенсоров, оптики и микроэлектроники.