Снимки в масштабе атомов показывают, что крошечные животные используют цинк для заточки своих зубов и жал, - пишет eurekalert.org со ссылкой на Nature Journal Scientific Reports.
Вы когда-нибудь задумывались, как крошечные существа могут так легко разрезать, колоть или ужалить? Новое исследование показывает, что муравьи, черви, пауки и другие крошечные существа имеют встроенный набор инструментов, которому позавидовал бы любой плотник или хирург.
Недавнее исследование впервые показывает, как отдельные атомы цинка расположены таким образом, чтобы максимально повысить эффективность резки и сохранить остроту этих изящно сконструированных крошечных инструментов у насекомых. Сотрудничество между исследовательской группой из Университета Орегона и Тихоокеанской северо-западной национальной лабораторией (PNNL) Министерства энергетики США (DOE) выявило природное решение, позволяющее крошечным существам относительно легко резать и колоть.
Рассмотрим зуб муравья. Да, у муравьев есть зубы, это может подтвердить любой, кто хоть раз наступал на муравейник. Эти специализированные структуры, технически называемые «нижнечелюстные зубы», потому что они прикреплены за пределами их рта, состоят из сети материала, которая прочно связывает отдельные атомы цинка. Общий эффект - нижняя челюсть, которая содержит цинк более 8 процентов веса зуба.
Такие специализированные инструменты для создания существ на протяжении десятилетий привлекали внимание доцента Университета Орегона Роберта Шофилда, который руководил этим исследованием. Его команда биофизиков разработала методы измерения твердости, эластичности, энергии разрушения, сопротивления истиранию и ударопрочности в миниатюрном масштабе.
Но на самом деле они не могли видеть структуру материалов, из которых состоят зубы муравьев и другие микроскопические орудия труда животных, особенно в атомном масштабе. Именно здесь на сцену вышли материаловед из PNNL Арун Деварадж и докторант Сяоюэ Ван. Деварадж является экспертом в использовании специальной микроскопической техники, называемой атомно-зондовой томографией. Он использовал сфокусированный ионно-лучевой микроскоп, чтобы взять образец крошечной иглы с кончика зуба муравья, а затем визуализировал этот образец иглы с помощью атомно-зондовой томографии, что позволило команде определить, как отдельные атомы расположены рядом с кончиком зуба муравья.
Используя эту технику, Деварадж и Ван впервые зафиксировали наноразмерное распределение атомов цинка в зубе муравья.
«Мы могли видеть, что цинк равномерно распределен в зубе, что было неожиданностью, - сказал Деварадж. - Мы ожидали, что цинк будет сгруппирован в нано-конкреции».
Исследовательская группа подсчитала, что, поскольку эти биоматериалы могут быть более острыми, они позволяют животным использовать 60 процентов или даже меньше силы, которую им пришлось бы использовать, если бы их инструменты были сделаны из материалов, аналогичных тем, которые встречаются в человеческих зубах. Поскольку требуется меньшая сила, их меньшие мышцы тратят меньше энергии. Эти преимущества могут объяснить, почему каждый паук, муравей, другие насекомые, черви, ракообразные и многие другие группы организмов имеют эти специализированные инструменты.
«Инженеры также могут извлечь уроки из этого биологического трюка, - сказал Шофилд. - Например, твердость зубов муравьев увеличивается от твердости пластика до твердости алюминия при добавлении цинка. Хотя существуют гораздо более твердые инженерные материалы, они часто более хрупкие».
«Изучение природы - это один из способов понять, что делает материалы более прочными и устойчивыми к повреждениям, - добавил Деварадж. В настоящее время он использует премию Министерства энергетики США за раннюю карьеру для изучения в атомном масштабе принципов, которые делают некоторые материалы прочными и устойчивыми к повреждениям. -Изучая микроструктуру стали также в атомарном масштабе, мы можем лучше понять, как изменение состава материалов меняет их стойкость к повреждениям, в частности стойкость к коррозии под напряжением и поведение с течением времени, - сказал он. - Это особенно важно при проектировании таких конструкций, как атомные электростанции, которые должны выдерживать старение в течение многих десятилетий».
Исследование было проведено при поддержке Национального научного фонда исследовательского центра усовершенствованных характеристик материалов при Университете штата Орегон. Часть работы была проведена в Лаборатории молекулярных наук об окружающей среде (EMSL), пользовательском центре Управления науки Министерства энергетики США в PNNL в Ричленде, штат Вашингтон.
Фото: captainvector / 123RF
