Naukowcy z Bell Labs odkryli światłowód w gąbkach szklanych

Naukowcy z Laboratoriów Bella Lucent Technologies odkryli, że organizm gąbki szklanej zawiera włókna niezwykle podobne do światłowodów obecnych w najnowszych sieciach telekomunikacyjnych. Jak podają naukowcy magazynu Nature, szklane włókna w organizmie gąbki, które powstały na drodze ewolucji, mają określoną przewagę technologiczną nad światłowodami.

"Wierzymy, że biologiczny światłowód może rzucić nowe światło na procesy wykorzystujące biotechnikę, co z kolei wpłynie na powstanie lepszych materiałów i sieci światłowodowych," powiedziała Joanna Aizenberg, uczona z Laboratoriów Bella, szefowa zespołu badawczego. "Zdolność natury do tworzenia idealnych materiałów jest olbrzymia, im dokładniej badamy żywe organizmy, tym więcej możemy się od nich nauczyć."

Odkrycie "morskiego" światłowodu to kolejny krok badaczy z Laboratoriów Bella na drodze rozwoju nauki zwanej biomimetyką, która korzysta z rozwiązań, jakie stworzyła natura i przenosi je do rozwiązań i materiałów technologicznych stworzonych przez człowieka.

Badana gąbka z rodzaju Euplectella żyje w głębinach oceanu na obszarze tropikalnym i osiąga rozmiary około 15cm. Jej szkielet ma budowę zawiłego siatkowatego cylindra z krzemu, który często daje schronienie łączącym się w pary krewetkom. W podstawie szkieletu gąbki znajduje się kępka włókien, które rozchodzą się na zewnątrz niczym odwrócona korona. Włókna te mają zazwyczaj długość od pięciu do siedemnastu centymetrów i grubość ludzkiego włosa .
Zespół z Laboratoriów Bella odkrył, że każde włókno gąbki składa się z oddzielnych warstw o różnych właściwościach optycznych. Koncentryczne cylindry krzemowe otaczają wewnętrzny rdzeń niezwykle czystej struktury szklanej podobnej do światłowodu przemysłowego, w której warstwy szkła otaczają szklany rdzeń o nieco innym składzie. Badacze okryli podczas eksperymentów, że biologiczny światłowód gąbki szklanej przewodzi światło i wykorzystuje te same zasady optyczne, jakie są używane przez współczesnych inżynierów do projektowania przemysłowego światłowodu. "Biologiczne 
światłowody wykazują uderzające podobieństwo do światłowodów telekomunikacyjnych, gdyż są zbudowane z tego samego materiału i mają podobne wymiary," powiedziała Aizenberg.

Pomimo, że naturalne bio-optyczne światłowody nie są tak doskonale przezroczyste, jak tego wymagają współczesne sieci telekomunikacyjne, badacze z Laboratoriów Bella odkryli, że światłowody te są niezwykle odporne na pęknięcia i uszkodzenia. Mimo swej odporności, jednym z powodów zakłócenia przewodzenia w światłowodach przemysłowych są specyficzne pęknięcia światłowodów. Jeśli ten rzadki przypadek ma miejsce, wówczas wymiana uszkodzonego światłowodu jest często kosztowna i wymaga wiele pracy, dlatego 
naukowcy szukają sposobu na wzmocnienie włókna.

Aizenberg wraz z kolegami odkryła, że organizmie gąbki problem uszkodzeń eliminuje organiczna osłona biologicznego światłowodu. "Bio-optyczne światłowody są niezwykle wytrzymałe," powiedziała. "Można je związywać w mocne węzły i w odróżnieniu od światłowodów przemysłowych, nie pękną. Być może badając włókna gąbki nauczymy się ulepszać istniejące światłowody przemysłowe."

Kolejną zaletą biologicznych światłowodów jest to, że powstają w efekcie chemicznego osadu w temperaturze wody morskiej. Przemysłowy światłowód jest produkowany w piecu o wysokiej temperaturze i przy użyciu drogiego sprzętu. "Jeśli spróbujemy naśladować naturę, możemy znaleźć alternatywną formę produkowania światłowodu w przyszłości," powiedziała Aizenberg. Jeśli naukowcy nauczą się naśladować te naturalne procesy, znajdą sposób na obniżenie kosztów produkcji światłowodu. "Jest to dobry przykład na to, jak natura uczy nas wykorzystywać naturalne materiały," powiedziała Cherry Murray, wice prezes działu badań naukowych w Laboratoriach Bella. "W tym wypadku stosunkowo prymitywny organizm oferuje nam rozwiązanie ogromnie złożonego problemu. Badając szklaną gąbkę, odkrywamy tanie sposoby produkcji skomplikowanych materiałów optycznych w niskich temperaturach. Jest to pomysł na obniżenie kosztów i polepszenie trwałości przyszłych światłowodów i sprzętu telekomunikacyjnego." Inni członkowie zespołu badawczego to Vikram Sundar i John Grazul, jak również zoolog Micha Ilan z Uniwersytetu w Tel Avivie oraz badacz technik optycznych Andrew Yablon z OFS Laboratories.