Минералы песчаных карьеров: древние деревья помогут создать новые материалы
Российские ученые первыми в мире получили из доисторической древесины кристаллы, которые могут стать основой для технологий будущего. Образцы возрастом 163 млн лет были современниками динозавров, а нашли их в песчаном карьере в Орловской области. Затем их структуру изучили на специальных установках. Одна из целей исследования заключалась в осмыслении механизмов биоминерализации — образования минеральных скелетов живыми организмами. Развитие этого направления может привести к разработке новых природоподобных материалов, которые можно использовать в робототехнике и информационных технологиях, полагают эксперты.
Эти деревья «видели» динозавров
Ученые Объединенного института ядерных исследований (ОИЯИ) выяснили, что доисторические деревья могут становиться кристаллами. Совместно с сотрудниками Палеонтологического института РАН имени А.А. Борисяка (ПИН РАН) впервые в мире они показали, что в ископаемой древесине при замещении органики пиритом (FeS2 — минерал золотистого цвета) кристаллографическая текстура становится более острой, то есть кристаллы во всем объеме приобретают преимущественные ориентации. Исследователи выдвинули предположение, что в будущем с использованием органической основы можно будет выращивать их в заданных направлениях, что позволит заранее планировать свойства материала.
Образцы для исследований — фрагменты ископаемых деревьев — были найдены в песчаном карьере в Орловской области. По словам соавтора исследования, старшего научного сотрудника ПИН РАН и ЛНФ ОИЯИ Алексея Пахневича, растения прошлых геологических эр российские палеонтологи находят в карьерах Московской, Калужской и Тульской областей, а также на Кавказе. Во времена мезозоя на месте близких к Москве регионов простирался древний океан, который полностью отступил к середине мелового периода. Морские донные осадки законсервировали древесину, которая на воздухе быстро разрушилась бы.
Ученые Объединенного института ядерных исследований (ОИЯИ)
— Фрагменты деревьев попадали с берега в море, и, поскольку древесина не тонет, ее могло уносить течением на многие километры, — пояснил механизм возникновения каменных остатков ученый.
По словам специалиста, образцам для этого конкретного исследования около 163 млн лет, они были современниками динозавров. Обломки древних деревьев дошли до наших дней в двух разных формах: это либо твердые обугленные фрагменты, которые легко, теряя влагу, рассыпаются на открытом воздухе, либо окаменелые, прочные, замещенные минералами. У всех окаменелых фрагментов деревьев одно общее свойство: их химический состав становится совершенно иным, зато форма сохраняется в первозданном виде, до малейших прожилок и червоточин.
— Природные полимеры, такие как целлюлоза, лигнин и спорополленин, часто сохраняются в ископаемом состоянии, поэтому некоторые растительные остатки хорошо сохранились, почти не изменившись за миллионы лет, например древесина. В других случаях она может обуглиться, то есть значительная часть органического вещества превращается в углерод, или древесина замещается минералами, — рассказал Алексей Пахневич.
Сокровища пирита
По словам ученых, есть множество минералов, которыми замещается древняя органика. Например, существуют окаменелости, замещенные кварцем, оксидом кремния. В мире создаются украшения из малахитовых и опаловых спилов окаменелых деревьев.
В карьере в Орловской области ученые собрали не только пиритизированную древесину, но и того же геологического возраста конкреции пирита — шаровидные образования, состоящие почти целиком из одного минерала. Исследователи сравнили ориентации зерен пирита в окаменелостях и в конкрециях на установке СКАТ реактора ИБР-2. В исследовании использовались вспомогательные методы — электронная микроскопия, рентгеновская томография и микроанализ элементного состава образцов.
— Когда один кристалл замещается другим, то у исходного есть выделенные направления, и поэтому, когда замещающий ориентирован так же, это ожидаемо. А когда древесина, исходный некристаллический материал, всё равно порождает выделенные направления — это очень необычно, — отметил соавтор исследования, старший научный сотрудник ЛНФ ОИЯИ Дмитрий Николаев.
По мнению ученых, в отдаленном будущем, используя органическую матрицу, можно будет выращивать кристаллы в заданных направлениях, заранее планируя свойства инновационных материалов.
Старший научный сотрудник ЛНФ ОИЯИ Дмитрий Николаев
— Мы показываем, что можно двигаться в направлении создания новых материалов на органической матрице. До этого еще, может быть десятки лет, этот путь не закрыт, он скорее перспективен, — полагает Дмитрий Николаев.
Как растят раковины
Ученые ЛНФ и ПИН РАН имени А.А. Борисяка намерены продолжать исследования кристаллографической текстуры и других минералов разного геологического возраста, замещающих древесину. Все они образуются в разных условиях, имеют различную форму кристаллической решетки, и результат может не совпасть с полученным для пирита.
Исследования кристаллической структуры биологических объектов помогают понять, как происходит биоминерализация — процесс формирования скелетов или раковин в живых организмах.
— В них ориентации кристаллов иногда упорядочены даже больше, чем в некоторых металлах. Люди используют определенную температуру, давление, чтобы получить материал с заданными свойствами, заданной ориентацией кристаллов, а моллюск, например мидия, просто выращивает свою раковину, и у него упорядоченность ориентации кристаллов оказывается такой же или даже выше, чем в этом материале. Мы видим, что животные могут делать такие чудеса, — рассказал Алексей Пахневич.
Технологические потребности уже в XX веке стимулировали открытие методов выращивания кристаллов с заданными химическими и физическими свойствами, сказал «Известиям» доцент Института экологии РУДН Владимир Пинаев.
— С точки зрения эколога должен отметить, что и дерево, и минералы — это природные материалы в отличие, например, от пластиков, а значит, получаемые в перспективе материалы и технологии их получения можно отнести к «зеленым», — подчеркнул ученый.
Из прошлого в будущее
Такая технология позволит создавать новые материалы с заданной структурой, если мы сможем воссоздать условия преобразования структуры древесины в промышленных условиях, подчеркнула доцент Института экологии РУДН Татьяна Ледащева. Однако работы ученым предстоит очень много — не только понять, как происходит процесс и как его воссоздать, но и исследовать особенности для разных материалов.
— До практического использования такой технологии еще далеко. Как каменное дерево может быть использовано, еще не вполне понятно, но это перспективное направление научных исследований, — сказала она.
Что касается отмеченной авторами ориентированной минеральной матрицы окаменевших деревьев, то она целиком контролируется закономерным расположением растительных клеток, формирующих прижизненную внутреннюю микроскопическую структуру древесины, рассказала доцент кафедры недропользования и нефтегазового дела Инженерной академии Виктория Бугина.
— Несмотря на это, идея авторов о контролируемом образовании композитных минерально-полимерных тончайших пленок, способных в ближайшем будущем заменить сложные и дорогостоящие структурные элементы в инновационных продуктах, совершенно справедлива, и работы по этому направлению достаточно перспективны, особенно в сфере робототехники и IT-технологий, — подчеркнула эксперт.
Широко известны уникальные природные скопления окаменевшей древесины в Аргентине, Эквадоре, Греции, Китае и особенно в США. Например, в штате Аризона еще в середине прошлого века на площади около 400 кв. км организован национальный парк Petrified Forest («Окаменелый лес»), где в огромных количествах присутствуют не только обломки окаменевшей древесины, но и целые поваленные стволы длиной в десятки метров и толщиной 2–4 м. Они сложены силикатными минералами — опалом, халцедоном, кварцем и образовались в осадочных породах около 220 млн лет назад (триасовый период). Еще более древние — девонские окаменевшие деревья (около 360 млн лет) — установлены на юге Китая.
