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.
Вид зубов морского блюдечка под микроскопом (фото Asa Barber).
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.
Калифорнийское морское блюдечко (фото Steve Lonhart/NOAA MBNMS).
"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.
Материал зубов состоит из минерала гётита, заключённого в хитиновую матрицу (фото Asa Barber).
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.
Морские блюдца часто встречаются в водоёмах у берега (фото Peter Chadwick/SPL).
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.
Брюхоногая улитка вида Patella vulgata в разрезе (фото Janek Pfeifer/Creative Commons).
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.
Фрагменты зубов улитки измельчали для проведения различных тестирований (фото Asa Barber).
"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".
