Морские губки обладают уникальной структурой, которая позволяет им быть гибкими и при этом чрезвычайно прочными, делая эти организмы практически недоступными для хищников. Их пронизанное системой каналов тело состоит из двух слоёв, между которыми располагается студенистое вещество – мезоглея. В мезоглее присутствуют всевозможные клетки и структурные образования, в том числе и так называемые спикулы, которые образуют внутренний каркас – своеобразную скелетную решётку губки. Интересно, что систематика губок основана именно на составе и пространственном строении спикул.
Скелет этих примитивных многоклеточных организмов может быть органическим, неорганическим или смешанным. Спикулы чрезвычайно разнообразны по форме. Среди них встречаются как одиночные «иглы», так и сложные одно-, трёх-, четырёх- и многоостные структуры. При срастании они образуют решётки различного типа – фаретронные, диктиональные или листицидные. По химическому составу спикулы подразделяются на две группы: кремнеземные (состоящие из оксида кремния) и карбонатные (из карбоната кальция) — кальцитовые или арагонитовые. Объединяясь, минеральные иголочки спикул «склеиваются» особым органическим веществом, близким по составу с шёлком и роговыми образованиями млекопитающих – спонгином. Иногда спонгин обволакивает спикулы снаружи.
Благодаря своему строению и составу скелетная решётка губки очень лёгкая, жёсткая и колючая. Подражая природному шедевру, исследователи из Университета Йоханна Гутенберга в Майнце (Johannes Gutenberg-Universität Mainz) из Института полимерных исследований Макса Планка (Max-Planck-Institut für Polymerforschung) смоделировали и создали искусственный гибридный материал с такими же качествами. Он почти на 90% состоит из минеральных веществ, однако при этом сохраняет удивительную гибкость.
Немецкие исследователи под руководством Вольфганга Тремеля (Wolfgang Tremel) и Ганса-Юргена Батта (Hans-Jürgen Butt) использовали для своего материала кальцит в виде аморфного карбоната кальция и силикатеин-α. Последнее вещество представляет собой белок кремниевых морских губок, который позволяет им выращивать силикатный скелет, катализируя процесс образования оксида кремния.
Новый материал буквально образовывался сам собой из аморфного карбоната кальция и силикатеина, который был также необходим для управления самоорганизацией спикул из кальцита. Далее ему позволяли нарасти на протяжении шести месяцев. По истечении контрольного срока учёные получали кристаллический материал из синтетических спикул. В конечном итоге каждая из них состояла из нанокристаллов кальцита, выстроенных наподобие кирпичной стены, где в роли цемента выступает белок. Размер спикул составлял 10-300 мкм в длину и 5-10 мкм в диаметре.
Согласно данным, опубликованным в журнале Science, синтетический материал оказался в 10 раз более гибким, чем природный аналог. Например, искусственные спикулы способны принимать U-образную форму без каких-либо повреждений в структуре. А среди вторичных по важности свойств исследователи выделяют их способность пропускать световые волны даже в согнутом состоянии.
Авторы сообщают, что особенная гибкость спикул делает практически невозможным их срезание ножом. А в сочетании с лёгкостью и жёсткостью новый материал имеет большие перспективы, например, при создании бронежилетов.
