海洋浮游生物的研究现状（浮游生物壳启发科学家创造新技术）

科学家公布了硅藻研究的最新结果，硅藻是一种具有惊人特性的单细胞生物，可以成为许多突破性技术解决方案的原型。在硅藻的多孔玻璃壳的图像和相似性中，可以设计用于微型超灵敏和节能麦克风或光子晶体的膜 - 这是快速和节能的关键组件的名称未来的光电微电路。

硅藻

硅藻外骨骼的许多机械特性首次发表在 Skoltech 和牛津大学的一组作者的研究中，发表在《科学报告》杂志上。硅藻是一大类单细胞藻类，具有坚硬、轻质和多孔的二氧化硅外壳。在进化过程中，这些生物很好地适应了不同成分和温度的盐水和淡水体的生存条件，以至于它们能够成功地遍布地球上几乎所有的水体：它们占所有生物量的四分之一地球上产生的氧气，以及光合作用产生的总氧气的五分之一。在谈到浮游生物的巨大生态作用时，应该牢记硅藻是其主要成分之一。

“硅藻的进化成功及其对地球生物圈的重要性表明，它们的结构在光学、力学和生物化学方面都是最佳的，同时还能最大限度地减少重量和材料消耗，”一位高级研究工程师解释说。系统工程中心 Skoltech，MISIS 物理化学系主任 Alexei Salimon，他长期促进两个研究所的科学家在应用材料科学领域的长期合作。

正如该团队在《科学报告》中所写，硅藻的玻璃花边外骨骼“是开发新材料和设备的取之不尽的灵感来源。” 它们已被用于净化水中的重金属，以及牙膏中的温和研磨剂。可以从复制这种外壳结构中获益的技术包括微机电系统和光子集成电路。前者是灵敏、紧凑和节能麦克风的基础，而后者可以成为高性能和节能设备的基础，这些设备以光而不是电脉冲（如现代电子产品）的形式处理信息。

“为了释放这些结构在仿生技术中的潜力，工程师需要详细了解它们的结构和特性，”Skoltech 光子学和光子技术中心的博士生、该研究的第一作者 Yuliyana Tsvetinovich 说。 . “特别是，在这项工作中，我们获得了有关硅藻壳与其结构相关的静态和动态力学性能的独特数据。”

17世纪光学显微镜发明后，硅藻很快就引起了科学家的注意。但科学界对它们仍然知之甚少，像 Skoltech 科学家的新工作这样的研究继续检验现有的假设并完善我们对这个物体的理解。

显微镜正在改进，这只会激发科学家的好奇心。该研究的负责人之一、牛津和斯科尔泰克大学教授亚历山大·科尔孙斯基评论道：“我在这一领域工作了四分之一个世纪后，我很高兴看到在 Tescan Solaris 扫描电子显微镜系统中使用纳米压痕的结果聚焦离子束，这是 Skoltech 在我的推荐下获得的，现在位于研究所集体使用中心。Evgeny Statnik 和 Pavel Somov 熟练地掌握了这个复杂的工具，收到了描述硅藻变形的独特视频，而 Sergey Luchkin 在使用原子力显微镜方面的专业精神使量化硬度和弹性模量成为可能。

MEMS 麦克风（左）和硅藻（右）的比较：大自然创造了一种非常高效的结构，看起来像人类工程的产物——麦克风膜。

结合原子力显微镜和纳米压痕（用金刚石针压样品并记录其变形），科学团队研究了直径为 30-40 微米的干硅藻壳和湿硅藻壳的机械性能，未从有机物中提纯. 测量了硅藻的硬度、柔韧性、振动特性及其与复杂两级结构的关系：外骨骼由两部分组成，内外孔隙的性质不同。

“也许我们发现的最有趣的特征是作为一种基础的较硬内层与位于其上方的较软且多孔的外层之间的区别。当然，观察藻壳在循环载荷下如何振荡而不破裂是非常有趣的，这证实了我们关于其柔韧性和强度原因的假设。这种行为，以及从有机物中纯化的活细胞和壳的比较机械特性，我们是第一次观察和分析。”

研究负责人之一、 Skoltech生物光子学实验室负责人 Dmitry Gorin 教授补充说：“我们相信，对硅藻壳的进一步研究将带来突破性的技术解决方案，从用于光声内窥镜的膜或 MEMS 麦克风，甚至看起来像这些藻类 [见. 下图]，以及新的复合材料，它们将通过添加其他成分和功能来重现硅藻的结构。

这项研究是 MISIS 与 Skoltech 的三个部门同时合作的结果：光子学和光子技术中心、能源技术中心和系统工程中心。这项工作得到了俄罗斯科学基金会（由 Dmitry Gorin 领导的项目）和俄罗斯科学与高等教育部的支持。