L'ingénierie biologiquement inspirée pour produire des matériaux et des échafaudages biomimétiques se produit généralement à l'échelle micro ou nanométrique. Dans une nouvelle étude sur Avancées scientifiques , Iaroslav Petrenko et une équipe de recherche mondiale multidisciplinaire, proposé l'utilisation de préfabriqués naturellement, des échafaudages de spongine tridimensionnels (3D) pour préserver les détails moléculaires sur de plus grandes, échantillons à l'échelle centimétrique. Lors des études de caractérisation des matériaux, les chercheurs ont besoin d'échantillons à grande échelle pour tester des caractéristiques à l'échelle nanométrique. La ressource collagène naturelle contenait une structure à petite échelle, stable à des températures allant jusqu'à 1200 ⁰ C avec le potentiel de produire jusqu'à 4 x 10 cm de graphite microfibre et nanoporeux 3-D pour la caractérisation et les applications catalytiques. Les nouvelles découvertes ont montré des caractéristiques nanostructurales exceptionnellement préservées du collagène à triple hélice dans le graphite turbostratique (désaligné). L'éponge carbonisée ressemblait à la forme et à la microarchitecture unique de l'échafaudage en spongine d'origine. Les chercheurs ont ensuite plaqué de cuivre les composites pour former un matériau hybride avec d'excellentes performances catalytiques observées à la fois dans les environnements d'eau douce et marins.

Le biomimétisme extrême est la recherche de sources naturelles d'inspiration en ingénierie, proposer des solutions aux stratégies synthétiques existantes. Les bio-ingénieurs et les scientifiques des matériaux visent à créer des matériaux hybrides inorganiques-organiques résistants aux microenvironnements chimiques et thermiques agressifs pour imiter une architecture 3D préfabriquée naturellement. Par exemple, les scientifiques ont utilisé les éponges marines comme système modèle productif pour développer de nouvelles, composites 3D structurés hiérarchiquement avec renouvelables, échafaudages organiques non toxiques. Au cours de son évolution il y a 600 millions d'années, les démosponges marines avaient produit des constructions allant du centimètre au mètre, avec des applications potentielles à l'heure actuelle dans la recherche sur les matériaux.

Le composant fibreux du squelette de l'éponge connu sous le nom de spongine, appartient à la suprafamille du collagène et est au centre de l'ingénierie des matériaux en raison de son organisation nano-architecturale et de son comportement biomécanique. Structurellement, la spongine de type collagène a plusieurs niveaux, constitué de fibres simples et de nanofibres de 100 µm d'épaisseur, combinés en réseaux hiérarchiques 3-D complexes de haute macro-porosité. Grâce à la thermostabilité de l'éponge jusqu'à 360 ⁰ C et sa résistance aux acides, les chercheurs ont utilisé des échafaudages à base de spongine dans des réactions de synthèse hydrothermale pour développer l'oxyde ferreux (Fe 2 O 3 ) et le dioxyde de titane (TiO 2 Composites à base de -) à usage électrochimique et catalytique. Les scientifiques avaient également carbonisé des échafaudages de spongine pour développer du dioxyde de manganèse centimétrique (MnO 2 supercondensateurs à base de ).

Dans les tendances actuelles de la science des matériaux, les scientifiques visent à développer des matériaux carbonés avec des microarchitectures et des morphologies contrôlées à grande échelle en utilisant des sources naturelles renouvelables et biodégradables. Des études récentes ont recommandé l'adéquation de protéines structurelles telles que la kératine, collagène et soie pour la carbonisation entre 200 ⁰ C à 800 ⁰ C et même jusqu'à 2800 ⁰ C en température. Néanmoins, études sur les éponges, les échafaudages en carbone prêts à l'emploi avec des pores hiérarchiques et des squelettes connectés en 3D restent jusqu'à présent non signalés.

Par conséquent, Petrenko et al. développé de nouveaux échafaudages de spongine carbonisée en 3D en combinant une complexité hiérarchique allant du nanomètre au centimètre, capable de résister à des températures supérieures à 1200 ⁰ C, tout en conservant une architecture nanométrique. L'équipe de recherche a émis l'hypothèse de la possibilité de convertir la spongine en carbone à haute température, sans perte de sa forme ou de son intégrité structurelle pour favoriser sa fonctionnalisation en catalyseur. Dans le nouveau travail, ils ont détaillé le premier effort réussi pour concevoir une spongine carbonisée en 3D Cu/Cu à l'échelle du centimètre 2 O matériau catalytique utilisant une stratégie biomimétique extrême. L'équipe de recherche a ensuite démontré la capacité du matériau à catalyser efficacement la réduction du 4-nitrophénol (4-NP) en 4-aminophénol (4-AP) dans les environnements d'eau douce et marins.

Les scientifiques ont d'abord chauffé les squelettes d'éponges pour les carboniser directement. La spongine carbonisée a diminué de volume mais a conservé un aspect fibreux 3-D et une densité accrue par rapport à la spongine native. L'équipe de recherche a ensuite analysé le matériau carboné à l'aide de ¹³ C Spectroscopie par résonance magnétique nucléaire (RMN) pour comprendre sa chimie structurale. Par rapport aux résultats précédents, l'équipe a trouvé que le matériau ressemblait à du graphite amorphe contenant ordonné, domaines de type graphite. Ils ont confirmé les résultats en utilisant la diffraction des rayons X (XRD) et la spectroscopie Raman. L'équipe a confirmé la constitution du graphite (obtenu à partir de spongine) en utilisant la microscopie électronique à transmission à haute résolution (HRTEM), techniques de transformation de Fourier rapide (FFT) et de diffraction électronique à zone sélectionnée (SAED). Les mesures de spectres de spectroscopie de perte d'énergie électronique (EELS) pour la spongine carbonisée correspondaient aux résultats précédents.

A l'échelle nanométrique, les nanoclusters de graphite ont produit une structure poreuse, que Petrenko et al. étudié à l'aide d'une micrographie TEM (microscopie électronique à transmission) de l'éponge carbonisée pour révéler une protéine fibrillaire à base de collagène. Ils ont observé des nanostructures avec des chaînes et des périodicités en forme de perles, ainsi que la préservation des caractéristiques structurelles de l'hélice de collagène après carbonisation de la spongine. 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. Typiquement, 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. Dans le travail present, 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.

De cette façon, 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.

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