Найміцніший біологічний матеріал виявили в зубах морських равликів
Прийнято вважати, що найміцніший біологічний матеріал в світі - це шовкові нитки, з яких павук плете свою павутину. Однак дослідники з Великобританії похитнули дане подання: найміцнішим матеріалом, на їхню думку, є зуби равликів.
Вид зубів морського блюдечка під мікроскопом (фото Asa Barber).
Згідно з даними їх нової наукової роботи, зуби морських блюдечек (Patella vulgata) жорсткіше кевлара і міцніше павутини.
"Шовкова павутина довгий час вважалася міцним біологічним матеріалом в світі, - коментує провідний автор дослідження Аса Барбер (Asa Barber), професор машинобудування з Саутгемптонського університету. - Ми були здивовані і схвильовані, виявивши, що це звання по праву належить зубам черевоногих молюсків".
Морські блюдечка - це невеликі равлики, яких можна зустріти всюди в океанах, морях і річках. Вони можуть проживати як в глибоких, темних ущелинах, так і на прибережних скелях. Їх конусоподібна оболонка захищає міцну ногу, яка кріпиться до каменів з феноменальним зчепленням. Блюдечка харчуються водоростями. Щоб зішкребти свій обід з валунів і скель, вони розгортають довгий язик, усіяний сотнями гострих зубів.
Каліфорнійське морське блюдечко (фото Steve Lonhart / NOAA MBNMS).
"Незважаючи на те, що після навали морських блюдечек залишаються подряпані скелі, раніше ніхто не намагався перевірити їх зуби на міцність, - пояснює Барбер. - Але природа завжди розвиває досконалу структуру для конкретної механічної роботи, так що я вирішив, що у молюсків повинні бути зуби незвичайної міцності. Вивчення блюдечек, що мешкають на скелях біля Саутгемптона, показало: їх мінералізовані зуби на 10% міцніше павутини".
Барбер і його колеги відчули мікроскопічні шматочки зубів морського блюдечка. Довжина кожного зігнутого зуба становить близько 1 міліметра, але дослідники хотіли вивчити механічні властивості не викривленого матеріалу. Тому вони виготовили зразки в 100 разів тонші людської волосини.
Матеріал зубів складається з мінералу гетиту, укладеного в хітинову матрицю (фото Asa Barber).
Як виявилося, матеріал зубів здатний витримувати тиск від 3 до 6,5 ГПа, в той час як павутина витримує всього 1,3-4 ГПа. Для порівняння: стебло бамбука здатний винести тиск в 1 ГПа, а кістки і зуби людини - всього 0,5-0,7 ГПа.
Вчені припускають в статті видання Journal of the Royal Society Interface, що секрет міцності зуба морських блюдечек криється в утворюють його волокнистих структурах. Через це будови навіть невеликий розмір зразків не вплинув на характеристики міцності дослідженого матеріалу.
В зубах равликів дослідниками Туманного Альбіону були виявлені композитні волокна, які в тисячі разів тонше, ніж штучні нановолокна, використовувані при виготовленні куленепробивних жилетів, літаків і велосипедних рам.
Морські блюдця часто зустрічаються у водоймах біля берега (фото Peter Chadwick / SPL).
Біологічні композити представляють собою суміш оксиду заліза з мінером гетитом і з`єднанням хітином. Тобто, по суті, це природний аналог міцного пластику.
Гетит сам по собі не найміцніший матеріал - він би легко зламався об скелі при ударі. Однак еластичні волокна хітинової матриці в поєднанні з гетитом додають матеріалу міцність, жорсткість і міцність. Волокна зубів блюдечек здатні витримати величезне навантаження: як якщо б на одну паличку спагетті навісили мішки з цукром загальною вагою 1500 кілограмів, і вона б при цьому не зламалася.
Черевоногих равлик виду Patella vulgata в розрізі (фото Janek Pfeifer / Creative Commons).
Тепер Барбер сподівається знайти способи створення міцного природного матеріалу в лабораторних умовах. Він вважає, що павутину вкрай складно виготовити штучним чином, а ось волокна зубів морських блюдечек цілком можна проводити за допомогою тривимірної друку.
Фрагменти зубів равлики подрібнювали для проведення різних тестувань (фото Asa Barber).
"Я думаю, що потенціал вирощування цих кристалічних волокон в штучному середовищі значно вище, ніж у виготовлення шовкової павутини, - вважає дослідник. -використання Матеріалів настільки високої міцності може відкрити нам безліч нових можливостей. Такий матеріал знайде своє застосування в різних областях, наприклад, в стоматології майбутнього".
