Кулаки раків-богомолів розкрили секрет надміцного матеріалу
Ракоподібні давно привертають увагу біологів, і не тільки через особливості своєї поведінки. Наприклад, що містяться в панцирі крабів і креветок хімічні сполуки, такі як хітин, широко використовуються для створення біологічно активних добавок, ліків і косметичних засобів. У новому дослідженні американські вчені, вивчаючи рака-богомола, наблизилися до створення надміцних композитних матеріалів.
Невеликі, але міцні передні кінцівки раку-богомола розвивають швидкість кулі і з легкістю розбивають панцир жертви і навіть скло акваріуму (фото Carlos Puma).
Ракоподібних із загону ротоногих, відомих як раки-богомоли, можна розділити на дві групи за типом "зброї", Використовуваного на полюванні. Якщо у одних видів передні клешні перетворилися в гострі ножі для ураження м`якотілих морських мешканців, у інших ці кінцівки схожі на кулаки, і їх потужні удари розбивають панцир і приголомшують жертву. Ці істоти відомі тим, що влаштовують ритуальні бої і визначають переможця по "набраними очками".
Девід Кісаілус (David Kisailus) і його колеги з Каліфорнійського університету в Ріверсайді протягом восьми років досліджували техніку ударів і будова колишній "ротоногих-боксерів", Щоб знайти шляхи створення нових матеріалів.
Вибір об`єкта дослідження не випадковий - кулак раків-богомолів прискорюється до 80 кілометрів на годину всього за три тисячні секунди і рухається так швидко, що вода навколо закипає і створює звукову ударну хвилю. Відомі випадки, коли рачки одним таким ударом розбивали скло акваріуму. При цьому сама клешня не отримує ніяких пошкоджень, і було очевидно, що секрет цієї феноменальної міцності слід шукати в будові наросту на останньому членику.
У попередньому дослідженні команда вже виявила у внутрішніх шарах придатка спіралеподібні структури, які відіграють роль пружини і гасять енергію удару. Тепер в рамках проекту, що фінансується відділом наукових досліджень Військово-повітряних сил США, вчені описали нову унікальну структуру зовнішньої поверхні кулака, яка забезпечує конструкції таку високу міцність.
Волокна зовнішнього шару "кулака", Структуровані в формі "ялинки", Забезпечують рівномірний розподіл енергії удару
(Ілюстрація UC Riverside).
Хімічний аналіз показав, що у верхньому шарі наросту на останньому членику ударних колишній органічні волокна хітину оточені кристалами фосфату кальцію. Це з`єднання також міститься в людських кістках. Але головне: сильно мінералізовані волокна розташовані не у випадковому порядку, як в більш глибоких шарах, а строго структуровані в формі "ялиночки".
"Раніше ми з`ясували, що рак-богомол передає своїй жертві неймовірний імпульс, і при цьому не пошкоджує власні кінцівки, але тепер ми показали, що властивості цього міцного матеріалу забезпечує структура "ялинкою", - Повідомляє в прес-релізі співавтор дослідження Ніколас Ярагхі (Nicholas Yaraghi).
Щоб перевірити, наскільки ефективна виявлена структура волокон, команда Кісаілуса звернулася до фахівця з цивільної інженерії Пабло Цаваттьері (Pablo Zavattieri) з Університету Пердью, який зробив комп`ютерні моделі, а потім надрукував матеріал з подібною структурою на 3D-принтері.
Розрахунки показали, що форма розташування волокон забезпечує рівномірний розподіл енергії удару по всій поверхні. Потім ці висновки були підтверджені в ході реальних випробувань східного композитного матеріалу.
Комбінація двох структур, відкритих в "кулаці" рака-богомола, допоможе створити ще більш міцні бронежилети і шоломи, впевнені вчені. Крім того, нова підглянута в природі технологія може бути використана при виготовленні корпусів літаків, кораблів і автомобілів.
Детальніше з результатами дослідження можна ознайомитися в статті, опублікованій в виданні Advanced Materials.
