Biologisch geïnspireerde engineering om biomimetische materialen en steigers te produceren, vindt meestal plaats op micro- of nanoschaal. In een nieuwe studie over wetenschappelijke vooruitgang , Iaroslav Petrenko en een multidisciplinair wereldwijd onderzoeksteam, voorgesteld het gebruik van natuurlijk geprefabriceerde, driedimensionale (3-D) spongine-steigers om moleculaire details over grotere, monsters op centimeterschaal. Tijdens materiaalkarakteriseringsstudies, onderzoekers hebben grootschalige monsters nodig om functies op nanoschaal te testen. De natuurlijk voorkomende collageenbron bevatte een fijne structuur, stabiel bij temperaturen tot 1200 ⁰ C met potentieel om tot 4 x 10 cm 3-D microvezelig en nanoporeus grafiet te produceren voor karakterisering en katalytische toepassingen. De nieuwe bevindingen toonden uitzonderlijk bewaarde nanostructurele kenmerken van triple-helix collageen in het turbostratische (niet goed uitgelijnde) grafiet. De verkoolde spons leek op de vorm en de unieke microarchitectuur van de originele sponsachtige steiger. De onderzoekers hebben de composieten vervolgens met koper gegalvaniseerd om een ​​hybride materiaal te vormen met uitstekende katalytische prestaties die worden waargenomen in zowel zoetwater- als mariene omgevingen.

Extreme biomimetica is de zoektocht naar natuurlijke bronnen van technische inspiratie, oplossingen te bieden voor bestaande synthetische strategieën. Bio-ingenieurs en materiaalwetenschappers streven ernaar om anorganisch-organische hybride materialen te creëren die bestand zijn tegen agressieve chemische en thermische micro-omgevingen om de natuurlijk geprefabriceerde 3D-architectuur na te bootsen. Bijvoorbeeld, wetenschappers hebben mariene sponzen gebruikt als een productief modelsysteem om nieuwe, hiërarchisch gestructureerde 3D-composieten met hernieuwbare, niet-giftige organische steigers. Tijdens zijn evolutie 600 miljoen jaar geleden, mariene demosponges hadden constructies geproduceerd variërend van centimeter tot meterschaal, met mogelijke toepassingen op dit moment in het materiaalonderzoek.

De vezelige component van het sponsskelet, bekend als spongine, behoort tot de collageen-suprafamilie en is de focus in materiaalkunde vanwege de nano-architectonische organisatie en biomechanisch gedrag. structureel, collageenachtige spongine heeft meerdere niveaus, bestaande uit 100 µm dikke enkelvoudige vezels en nanovezels, gecombineerd tot complexe 3D-hiërarchische netwerken met een hoge macroporositeit. Door de thermostabiliteit van spongin tot 360 ⁰ C en zijn weerstand tegen zuren, onderzoekers hebben op spongine gebaseerde steigers gebruikt in hydrothermische synthesereacties om ijzeroxide (Fe ₂ O ₃ ) en titaandioxide (TiO ₂ -)-gebaseerde composieten voor elektrochemische en katalytische doeleinden. Wetenschappers hadden ook spongine-steigers verkoold om mangaandioxide op centimeterschaal te ontwikkelen (MnO ₂ ) gebaseerde supercondensatoren.

In de huidige trends in materiaalkunde, wetenschappers streven ernaar koolstofmaterialen met gecontroleerde microarchitecturen en morfologieën op grote schaal te ontwikkelen met behulp van hernieuwbare en biologisch afbreekbare natuurlijke bronnen. Recente studies hebben de geschiktheid van structurele eiwitten zoals keratine, collageen en zijde voor carbonisatie tussen 200 ⁰ C tot 800 ⁰ C en zelfs tot 2800 ⁰ C in temperatuur. Hoe dan ook, studies over sponsachtige, kant-en-klare koolstofsteigers met hiërarchische poriën en 3D-verbonden skeletten zijn tot nu toe niet gerapporteerd.

Als resultaat, Petrenko et al. ontwikkelde nieuwe 3D-gecarboniseerde spongin-steigers door hiërarchische complexiteit te combineren van nanometer- tot centimeterschaal, bestand tegen temperaturen hoger dan 1200 ⁰ C, met behoud van architectuur op nanoschaal. Het onderzoeksteam veronderstelde de mogelijkheid om spongine om te zetten in koolstof bij hoge temperaturen, zonder verlies van zijn vorm of structurele integriteit om de functionalisering ervan tot een katalysator te bevorderen. In het nieuwe werk ze gedetailleerd de eerste succesvolle poging om een ​​centimeter-schaal 3-D verkoolde spongine Cu/Cu . te ontwerpen ₂ O katalytisch materiaal met behulp van een extreme biomimetische strategie. Het onderzoeksteam toonde vervolgens het vermogen van het materiaal aan om de reductie van 4-nitrofenol (4-NP) tot 4-aminofenol (4-AP) in zoetwater- en mariene omgevingen effectief te katalyseren.

De wetenschappers verwarmden eerst de sponsskeletten om ze direct te carboniseren. Het verkoolde spongine nam in volume af maar behield een 3D vezelachtig uiterlijk en een verhoogde dichtheid in vergelijking met natuurlijk spongine. Het onderzoeksteam analyseerde vervolgens het koolstofhoudende materiaal met behulp van ¹³ C nucleaire magnetische resonantie (NMR) spectroscopie om de structurele chemie ervan te begrijpen. In vergelijking met eerdere resultaten, het team vond dat het materiaal leek op amorf grafiet met geordende, grafietachtige domeinen. Ze bevestigden de bevindingen met behulp van röntgendiffractie (XRD) en Raman-spectroscopie. Het team bevestigde de samenstelling van het grafiet (verkregen uit spongine) met behulp van transmissie-elektronenmicroscopie met hoge resolutie (HRTEM), technieken voor snelle Fourier-transformatie (FFT) en elektronendiffractie met geselecteerd gebied (SAED). De metingen van de elektronenenergieverliesspectroscopie (EELS) voor verkoolde spongine kwamen overeen met eerdere resultaten.

Op nanoschaal is de grafiet nanoclusters produceerden een poreuze structuur, die Petrenko et al. onderzocht met behulp van een TEM-microfoto (transmissie-elektronenmicroscopie) van de verkoolde spons om een ​​op collageen gebaseerd fibrillair eiwit te onthullen. Ze observeerden nanostructuren met parelachtige kettingen en periodiciteiten, 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. Typisch, 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. In het huidige werk, 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.

Op deze manier, 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 Wetenschap X Netwerk