Самый прочный биологический материал обнаружили в зубах морских улиток
Принято считать, что самый крепкий биологический материал в мире — это шёлковые нити, из которых паук плетёт свою паутину. Однако исследователи из Великобритании пошатнули данное представление: самым крепким материалом, по их мнению, являются зубы улиток.
Согласно данным их новой научной работы, зубы морских блюдечек (Patella vulgata) жёстче кевлара и прочнее паутины.
"Шёлковая паутина долгое время считалась самым прочным биологическим материалом в мире, – комментирует ведущий автор исследования Аса Барбер (Asa Barber), профессор машиностроения из Саутгемптонского университета. – Мы были удивлены и взволнованы, обнаружив, что это звание по праву принадлежит зубам брюхоногих моллюсков".
Морские блюдечки — это небольшие улитки, которых можно встретить повсюду в океанах, морях и реках. Они могут проживать как в глубоких, тёмных ущельях, так и на прибрежных скалах. Их конусообразная оболочка защищает прочную ногу, которая крепится к камням с феноменальным сцеплением. Блюдечки питаются водорослями. Чтобы соскоблить свой обед с валунов и скал, они разворачивают длинный язык, усеянный сотнями острых зубов.
"Несмотря на то, что после нашествия морских блюдечек остаются поцарапанные скалы, раньше никто не пытался проверить их зубы на прочность, – объясняет Барбер. – Но природа всегда развивает совершенную структуру для конкретной механической работы, так что я решил, что у моллюсков должны быть зубы необыкновенной прочности. Изучение блюдечек, обитающих на скалах возле Саутгемптона, показало: их минерализованные зубы на 10% крепче паутины".
Барбер и его коллеги испытали микроскопические кусочки зубов морского блюдечка. Длина каждого изогнутого зуба составляет около 1 миллиметра, но исследователи хотели изучить механические свойства не искривлённого материала. Поэтому они изготовили образцы в 100 раз тоньше человеческого волоса.
Как оказалось, материал зубов способен выдерживать давление от 3 до 6,5 ГПа, в то время как паутина выдерживает всего 1,3-4 ГПа. Для сравнения: стебель бамбука способен вынести давление в 1 ГПа, а кости и зубы человека — всего 0,5-0,7 ГПа.
Учёные предполагают в статье издания Journal of the Royal Society Interface, что секрет прочности зуба морских блюдечек кроется в образующих его волокнистых структурах. Из-за этого строения даже небольшой размер образцов не повлиял на прочностные характеристики исследованного материала.
В зубах улиток исследователями Туманного Альбиона были обнаружены композитные волокна, которые в тысячи раз тоньше, чем искусственные нановолокна, используемые при изготовлении пуленепробиваемых жилетов, самолётов и велосипедных рам.
Биологические композиты представляют собой смесь оксида железа с минером гётитом и соединением хитином. То есть, по сути, это природный аналог прочнейшего пластика.
Гётит сам по себе не самый крепкий материал — он бы легко сломался о скалы при ударе. Однако эластичные волокна хитиновой матрицы в сочетании с гётитом придают материалу прочность, жёсткость и крепость. Волокна зубов блюдечек способны выдержать огромную нагрузку: как если бы на одну палочку спагетти навесили мешки с сахаром общим весом 1500 килограммов, и она бы при этом не сломалась.
Теперь Барбер надеется найти способы создания прочного природного материала в лабораторных условиях. Он считает, что паутину крайне сложно изготовить искусственным образом, а вот волокна зубов морских блюдечек вполне можно производить с помощью трёхмерной печати.
"Я думаю, что потенциал выращивания этих кристаллических волокон в искусственной среде значительно выше, чем у изготовления шёлковой паутины, – считает исследователь. –Использование материалов столь высокой прочности может открыть нам множество новых возможностей. Такой материал найдёт своё применение в различных областях, например, в стоматологии будущего".
