Yanmış deniz süngerleri iyi katalizörlerdir.

Uluslararası bir bilim insanları ekibi, yeni bir grafit benzeri malzeme geliştirdi. Bu malzeme, kolajene benzer bir protein olan süngerin içeren iskeletlere sahip deniz süngerlerine dayanıyor. 1200°C'de tavlama, süngerin makro ve mikro gözenekli yapısını koruyan son derece dayanıklı karbon örnekleri üretiyor. Bu oldukça gözenekli malzeme, çeşitli metallerle kaplanabiliyor ve ortaya çıktığı üzere, olağanüstü etkili katalizörler üretiyor.

En eski çok hücreli organizmalar olan süngerlerle çalışmak her zaman sürprizlerle doludur. Freiberg Madencilik ve Teknoloji Üniversitesi Elektronik ve Sensör Malzemeleri Enstitüsü'nden Hermann Ehrlich liderliğindeki bu yeni çalışma da bir istisna değildi. Bu çalışmaya, aralarında Syktyvkar ve St. Petersburg'daki Rus üniversitelerinin de bulunduğu Avrupa ve Amerika Birleşik Devletleri'ndeki 21 bilimsel ve teknolojik laboratuvardan uzmanlar katıldı.

Bilim insanları, at süngerinin ( Hippospongia communis , Tunus açıklarında Akdeniz'den toplanan deneysel örnekler) oksijensiz ortamda yüksek sıcaklıkta dönüştürülmesiyle üretilen bir malzemenin özelliklerini araştırdı (bu işleme karbonizasyon denir). Teorik olarak, elde edilen malzeme faydalı yapısal özelliklere sahip saf karbon olmalıdır. Ehrlich'in fikri, yüksek sıcaklıktaki bozunmanın süngerin organik iskeletinin mikro mimarisini (mikro ve nano gözenekli hücreler ve dolayısıyla geniş bir yüzey alanı) koruyan bir malzeme üretebileceğiydi. Bilindiği gibi bu, etkili bir kataliz için ön koşuldur. Bu tür "yüksek sıcaklık" deneyleri daha önce yapılmıştı ve gerekli özelliklere sahip bir malzeme sığır kolajeninden elde edilmişti. Ancak kolajenin önceden işlenmesi gerekiyordu ve hala kırılgandı ve toz haline geliyordu. Süngerlerde ise durum farklıydı.

Öncelikle, kireçli iskelet elemanları, kum ve silt parçacıklarını uzaklaştırmak için asitlerle muamele edildiler. Bundan sonra geriye sadece organik iskelet kaldı. At süngerinde, Demospongiae ailesinin diğer üyelerinde olduğu gibi, iskeletin organik kısmı, kolajen ailesinin bir üyesi olan süngerimsi proteinin mikrofibrillerinden oluşur (Şekil 2).

Mineral kapanımlar çözüldükten sonra, sünger numuneler bir ısıtma odasına yerleştirildi ve argon atmosferinde pişirildi. Pişirme, 1200°C'ye kadar sıcaklıklarda 1 saat sürdü (Şekil 3). Bu süre zarfında sünger saf karbona dönüştü.

Elbette esas çalışma, elde edilen karbon numunesinin yapısı ve özelliklerinin incelenmesine ayrılmıştı, çünkü gördüğümüz gibi, onu elde etme prosedürü basit ve hızlıdır.

Yazarlar, analizin teknik sonuçlarını anlatırken bir noktada "ilgi çekici" kelimesini kullanıyorlar ve bu kelime, onları en çok etkileyen şeyi tam olarak yansıtıyor. Numunenin olağanüstü gücü işte bu: metal testereyle ince tabakalar halinde kesilebiliyor, ancak parçalanmıyor veya şeklini kaybetmiyor, "kendisi" kalıyor (Şekil 4). Elbette, makale ortaya çıkan karbon malzeme için kesin mukavemet parametreleri sunuyor ve çeşitli yönlerdeki deformasyona nasıl dayandığını açıklıyor, ancak bir nesne 2-4 mm kalınlığında tabakalar halinde kesilebiliyorsa, yeterince güçlü olduğu açıktır. Pişirme, moleküller arasındaki bağları yok eder ve numuneler genellikle parçalanır. Süngerlerin pişirmeden sonra neden sertliklerini koruduğu hala belirsiz, ancak bu gerçek (kelimenin tam anlamıyla) kesin olarak ortaya konmuştur. Kristal yapısıyla, ortaya çıkan malzeme, zayıf düzenlenmiş yatay katmanlara sahip grafite ( türbostatik grafit olarak adlandırılır) benzemektedir.

Kesitler, süngerin hücresel makro yapısının iyi korunduğunu göstermektedir. Ancak daha da önemlisi, yüksek yüzey alanı sağlayan mikro gözenekli yapısının pişirme sırasında korunup korunmadığıdır. Yüksek büyütmede (Şekil 5), boncuk benzeri iplikçikler halinde görülebilen kolajen yapıların sarmal şekli ve petek benzeri nano gözenekler de dahil olmak üzere, yapı dikkate değer ölçüde iyi korunmuştur.

Böylece, geniş yüzey alanına sahip, bitmiş, dayanıklı bir nano gözenekli malzeme elde ettik. Araştırmacılar, bunun kimyasal bir katalizör yapmak için nasıl kullanılabileceğini gösterdiler. Üzerine bakır püskürttüler (unutmayın, karbon yüksek elektrik iletkenliğine sahiptir, bu nedenle katalitik özelliklere sahip çeşitli metallerle püskürtülebilir). Sonuç, sünger şeklinde bir bakır-karbon katalizörü oldu (Şekil 6), mekanik olarak güçlü ve deniz suyunda ve tatlı suda kimyasal olarak kararlı (bu da bir dizi deneyde test edildi).

Bir kontrol testi, bu katalizörün çeşitli kimya ve ilaç endüstrilerinde kullanılan ve nihayetinde su kaynağına deşarj edilen toksik bir madde olan 4-nitrofenolden suyu arıtmadaki performansını inceledi. Suyun 4-nitrofenolden dezenfeksiyonu oldukça karmaşık bir kimyasal işlemdir. Dezenfeksiyon, 4-nitrofenolün zararsız 4-aminofenole dönüştürülmesine dayanır ve suda çalışan katalizörler henüz bulunmadığı için yavaştır. Yeni geliştirilen sünger katalizörü kullanılarak yapılan deneylerde, 4-nitrofenol detoksifikasyon reaksiyonu sadece 2 dakikada tamamlandı!

Genel olarak, bu çok umut verici bir malzemedir. Bilim insanları kimyasal araştırma ve üretimde çeşitli uygulamalar bulacağını umuyor. Muhtemelen gelecekte derinlemesine incelenecek ve bilim insanları süngerinden pişirildiğinde bu kadar güçlü yapılar oluşturan fizikokimyasal büyüyü ve aynı şeyin kolajen pişirildiğinde neden gerçekleşmediğini çözebilecekler. Ayrıca, yeni malzemenin özelliklerinin farklı pişirme sıcaklıklarında nasıl değiştiğini görmek de ilginçtir; bu, süngerlerden türetilen malzemeler için olası uygulama aralığını daha da genişletebilir. Örneğin, geçen yıl aynı araştırma grubu, süngerin 650°C'de pişirildiği bir sünger-magnezyum süperkapasitörünü tanımlayan bir makale yayınladı (T. Szatkowski ve ark., 2018. Aşırı biyomimetik: Nanoyapılı manganez oksit(IV) ve elektrokimyasal uygulamaları için yeni bir destek olarak karbonize edilmiş 3B sünger iskelesi ).

Kaynak: Iaroslav Petrenko, Adam P. Summers, Paul Simon, Sonia Żółtowska-Aksamitowska, Mykhailo Motylenko, Christian Schimpf, David Rafaja, Friedrich Roth, Kurt Kummer, Erica Brendler, Oleg S. Pokrovsky, Roberta Galli, Marcin Wysokowski, Heike Meissner, Elke Niederschlag, Yvonne Joseph, Serguei Molodtsov, Alexander Ereskovsky, Viktor Sivkov, Sergey Nekipelov, Olga Petrova, Olena Volkova, Martin Bertau, Michael Kraft, Andrei Rogalev, Martin Kopani, Teofil Jesioniowski ve Hermann Ehrlich.Aşırı biyomimetik: Süngerler tarafından oluşturulan biyolojik ağların santimetre ölçeğindeki örneklerinde moleküler ayrıntıların korunması // Science Advances . 2019. DOI: 10.1126/sciadv.aax2805.

Elena Naimark