Ceramic–polymer combination gives mantis shrimp its incredible punching power — ABC Chemicals


Ученые из Сингапура раскрыли секрет «весны», которая питает молниеносный удар креветки-богомола. Они обнаружили, что слоистое расположение жесткой биокерамики и эластичных полимеров позволяет креветкам накапливать огромное количество энергии в своих передних конечностях, не разрушая их. Команда надеется, что их работа над структурой креветочной пружины может вдохновить разработку новых эластичных материалов.

Креветки богомола — самые быстрые перфораторы в животном мире, способные двигать передними конечностями, похожими на булавы, со скоростью 50 миль в час, чтобы разбить раковины моллюсков и других ракообразных. Их удар настолько силен, что они часто представляют угрозу для содержания в неволе, потому что они могут разбить аквариумное стекло.

Предыдущие исследования показали, что это чрезвычайно быстрое движение стало возможным благодаря пружинному упругому механизму хранения в их конечностях — структуре, называемой седлом из-за его отличительной формы. «Когда мышцы натягивают седло, оно упруго нагружается, как система лука и стрел. Когда энергия, запасенная в седле, высвобождается, энергия передается клубу, который затем попадает в добычу », — объясняет Али Мисерес из Технологического университета Наньян в Сингапуре.

Ceramic–polymer combination gives mantis shrimp its incredible punching power - ABC Chemicals

Его команда хотела исследовать, как материальный состав седла позволял ему функционировать под воздействием экстремальных сил без повреждений. Они взяли образцы у креветок богомола и использовали такие методы, как наноиндентирование — где алмазный наконечник используется для измерения углубления поверхности — для определения механических свойств составляющих его материалов на микромасштабе. Они также использовали лазеры для резки тонких поперечных сечений седла и подвергли их механическим испытаниям, а также построили компьютерное моделирование, чтобы определить, как силы действуют на разные области.

Они показали, что седло состоит из двух отдельных слоев, один поверх другого. Верхний слой состоит из аморфного карбоната кальция, твердой, но хрупкой биокерамики, а нижний слой состоит из растягивающихся биополимеров, таких как хитин, материал, из которого состоят раковины ракообразных и клеточные стенки грибов. Именно это расположение позволяет седлу сгибаться без перерыва, объясняет Мисерес.

«Керамика прочна при сжатии и может хранить большое количество энергии. Однако при растягивающей нагрузке они хрупкие, поэтому седло, выполненное только из биокерамики, не будет работать… потому что нижняя часть, скорее всего, сломается », — говорит он. «Биополимеры прочнее при растяжении, поэтому нижний слой может быть натянут без повреждений».

Моделирование команды также показало, что механическая нагрузка на седло является самой низкой на границе между двумя слоями. «Это важно, потому что границы раздела между разнородными материалами обычно являются слабым местом», — говорит Мисерес. Он добавляет, что эти результаты могут быть использованы для разработки новых материалов для устройств, которые накапливают упругую энергию. «Керамика жестче, чем металлы или полимеры, и легче металлов, что означает, что в принципе они могут хранить более высокую плотность упругой энергии при меньшем весе. Но поскольку они хрупкие, их обычно не используют для пружин », — объясняет он. «Но используя двухслойное устройство, можно было бы преодолеть эту внутреннюю хрупкость».

Шейла Патек, которая изучает креветок богомола в Университете Дьюка в США, говорит, что интересно наблюдать за работой над этой конкретной частью конечности, так как большинство исследований креветок богомола до сих пор фокусировалось на ударопрочных «молотках» в конце удара. , «Пружина действительно важна для создания этого движения, поэтому понимание динамики этих материалов — это действительно новый рубеж», — говорит она. «Это исследование на самом деле является движущей силой различных подходов… с точки зрения биолога, просто очень интересно получить такой уровень понимания того, как работает эта довольно необычная структура».







Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *