Новый самый прочный материал естественного происхождения

Морские блюдечки — это водные моллюски, раковина которых имеет форму, отдаленно напоминающую форму блюдца или национального вьетнамского головного убора. Эти моллюски цепляются на поверхность подводных скал недалеко от береговой линии и каждый, кто пытался оторвать раковину моллюска от скалы, знает, что это не совсем такая уж и простая задача. Однако мелкие зубы, состоящие из невероятно прочного материала, играют несколько иную роль, моллюск при помощи своей мускулистой «ноги» и этих зубов на крае раковины отделяет морские водоросли, которыми он питается, от поверхности подводных скал и камней.

«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 (Asa Barber, профессор машиностроения из Саутгемптонского университета) 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.



«Вообще структура любых больших объектов всегда имеет множество дефектов, из-за чего ее прочность всегда меньше прочности меньшего объекта, структура которого содержит меньшее количество дефектов» — рассказывает Эйса Барбер (Asa Barber), — «Отсюда вытекает проблема, что большинство объектов, которым просто необходимо быть большими, имеют гораздо более низкую прочность, чем нам хотелось бы. Но зубы моллюска являются исключением из этого правила, прочность их материала практически не зависит от их размера».

В дальнейших исследованиях ученые обнаружили, что столь высокую прочность материалу зубов моллюска придает наличие гетита, твердой гидроокиси оксида железа (FeO(OH)), который является основным компонентом ржавчины и игольчатой железной руды. По мере роста моллюска в его зубах из этого минерала создается своего рода сетчатая волокнистая наноструктура, которая и придает материалу в целом его высочайшую прочность.

«Инженеры и ученые-материаловеды во все времена интересовались созданием структур в пределах материалов, которые увеличивают его прочность или позволяют уменьшить его плотность» — рассказывает профессор Барбер, — «Волокнистые структуры, существующие в материале зубов моллюска, без особых затруднений могут быть воспроизведены на более высоком технологическом уровне, придавая материалам высочайшую прочность, необходимую для создания конструкций автомобилей Формулы-1, морских и речных судов, самолетов и космических кораблей».



Биологические композиты представляют собой смесь оксида железа с минераломом 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».