зубы какого существа является самым прочным материалом
Зубы моллюска морское блюдечко самый прочный материал в природе
Зубы обычной разновидности моллюска морское блюдечко (Patella vulgata) прочнее кевлара и крепче паучьего шёлка, сообщают учёные в выпуске журнала The Royal Society Journal от 18 февраля.
Блюдечки – это выносливые маленькие моллюски, которые повсеместно распространены в океанах нашей планеты. Их конические раковины защищают ножку, которой они с невероятной силой прикрепляются к подводным скалам. Блюдечки питаются водорослями, выпуская длинный язык, усеянный сотнями острых зубов, которые соскребают частички пищи с камней.
Исследовательская команда из Университета Саутгемптона, Англия, во главе с профессором механической инженерии Асой Барбером изучила микроскопические фрагменты зубов этого моллюска. Каждый изогнутый зуб имеет длину около 1 миллиметра и примерно в 100 раз тоньше человеческого волоса.
По словам Барбера, секрет прочности этих зубов лежит в размерах волоконных структур, которые его формируют. До тех пор, пока размеры этих волокон находятся ниже определённой критической длины, их прочность остаётся неизменной, даже если в их материале содержатся дефекты. Сами они представляют собой биологический композит из гётита (минеральный оксид железа) и хитина, который играет роль природного пластика.
В результате такой комбинации зубы из этого материала выдерживают нагрузку, эквивалентную 1500 килограммам, подвешенным на нити толщиной со спагетти.
Следующей задачей учёных станет воспроизведение механизма, с помощью которого блюдечки создают эти уникальные материалы. И хотя паучий шёлк оказался невероятно трудным объектом для имитации в искусственных условиях, исследователи считают, что волокна зубов блюдечка можно напечатать в 3D-принтере.
Паучий шёлк является одним из самых прочных природных материалов. Его волокна имеют удельную прочность, в пять раз превышающую показатели лучших сортов стали, и при этом они могут свободно растягиваться. Самый прочный известный шёлк вырабатывают древесные пауки Дарвина, которые водятся на Мадагаскаре – их шёлк в 10 раз прочнее кевлара. Чтобы поместить вещи в перспективу – минеральные зубы блюдечка прочнее этого шёлка примерно на 10 процентов.
Зубы улитки
Разбирая в предыдущих статьях строение улитки, мы рассматривали тему глаза улитки и разбирались с вопросом, сколько ног у этого моллюска. Сегодня же мы поговорим о том, что собой представляют зубы улитки, сколько их у разных видов, и как с их помощью животное добывает себе пищу.
Многие заводчики зачастую не задумываются над этим вопросом, ограничиваясь лишь общими знаниями о строении своего питомца. Однако тем, кому интересно знать о свое домашнем любимце все, часто задаются вопросом, сколько зубов у улитки, давайте попробуем рассмотреть этот вопрос более подробно.
Расположение
Первым делом давайте определимся с тем, где находятся зубы улитки? Как многие знают, условно улитка состоит из туловища и панциря. На туловище находится голова, на которой расположены органы зрения и рот. Если рассматривать улитку под микроскопом, то в области рта можно разглядеть несколько рядов острых зубов. На языке улитки так же располагаются зубы, таким образом взаимодействуя парами зубов улитка перетирает пищу.
Количество
Так сколько зубов у улитки спросите Вы? Разумеется, все на прямую зависит от вида моллюска, но счет идет на тысячи. Как таковых зубов у улиток нет, по научному их название радула или терка. В состав радулы входит хитиновая базальная пластинка и расположенные рядами хитиновые зубы. У некоторых моллюсков радула имеет форму сверла, благодаря чем улитка способна без труда просверливать панцирь своей жертвы и добираться до желанной пищи.
Одним из рекордсменов по количеству зубов является американская садовая улитка, которая насчитывает 135 рядов, каждый из которых содержит 105 зубов, при этом любой из них при повреждении восстанавливается самостоятельно! Вот бы нам, людям, так! Довольно просто посчитать общее количество зубов у садовой улитки, которое будет равно 14 175.
Самый крепкий животный материал на планете
Следует обратить внимание читателя на то, что улитки относятся к живым существам, которые имеют самые крепкие зубы на планете. Ярким представителем моллюсков с самыми крепкими в мире зубами есть морская улитка морское блюдечко. Местом обитания этих особей являются морские скалы с огромным количеством водорослей на них. Собираясь в группы, моллюски дочиста очищают огрубевшую поверхность скалы от водорослей.
Заинтересовавшиеся этим ученые понимали, что для того, чтобы очистить огрубевшую скалу, улитки должны обладать довольно прочными зубами. Проведя некоторые исследования ученые обнаружили поразительный факт – зубы морского блюдечко состоят из материала, который является одним из самых прочных на планете.
В процессе экспериментов удалось выяснить, что зубы этих представителей моллюсков состоят из вещества гётита, в состав которого входит железо, а прочности зубам добавляет плотно укомплектованные минеральные волокна.
Разумеется, зубы улитки морское блюдечко по своей прочности уступали искусственно созданному в лабораторных условиях углеродному волокну, но лишь незначительно. Таким образом, изучая этих необычных существ дальше, для науки открывается огромная возможность использования зубов моллюсков для создания самых прочных вещей на планете.
Самый прочный биологический материал обнаружили в зубах морских улиток
Исследователи из Великобритании опровергли общепринятое мнение о том, что самым прочным биологическим материалом в мире являются шёлковые нити паутины. По их мнению, это звание должно принадлежать зубам брюхоногих моллюсков.
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».
У моллюсков — самые крепкие зубы, буквально грызут камень
Британские инженеры установили, что «зубы» моллюска пателлы, называемой также морским блюдцем, состоят из прочнейшего биологического материала из всех, что были ранее протестированы учеными. Моллюски питаются при помощи языка, называемого учеными «радула» или терка. Радула усеяна мелкими зубчиками, предназначенными для того, чтобы соскабливать пищу с камней в зоне приливов и отливов. Зубчики столь тверды, что оставляют на камнях царапины. Исследование опубликовано в Royal Society’s Journal Interface.
Эти зубчики состоят из особого минерально-белкового композита, мелкие фрагменты которого исследователи протестировали в лаборатории. Они установили, что он прочнее и «шелка» паучьей сети, и любого искусственного материала. Предположительно, секрет прочности кроется в необычайно тонких, прочных и сложно организованных белково-минеральных волокнах. В этих волокнах имеется железо-содержащий минерал гетит, частицы которого встроены в белковую основу — во многом так же, как углеродные волокна, которые используют для укрепления пластика. Это открытие может послужить для улучшения качества созданных человеком композитов, использующихся, например, в авиастроении, конструкциях автомобилей и судов, и даже зубных пломб.
«Живые существа — это огромный источник вдохновения для инженеров, — сказала ведущий автор исследования доктор Эйса Барбер (Asa Barber) из Портсмутского Университета. Эти зубчики, состоящие из тончайших волокон, «упакованы» в особую сложную трехмерную структуру. Мы думаем над тем, как использовать принципы этой структуры в наших собственных конструкциях».
Зубчики морского блюдца имеют размер меньше миллиметра, однако доктор Барбер с коллегами умудрились поместить выделенные их них фрагменты в специальную миниатюрную установку для растяжения, чтобы максимально точно измерить прочность этих волокон на разрыв. Средняя часть испытываемого образца была в 100 раз тоньше человеческого волоса. К свободному концу волокна, приклеенного к особому рычажку, помещенному под объектив атомного микроскопа, инженеры приложили усилие натяжения вплоть до разрыва. Это усилие, рассчитанное для материала зубчиков по результатам теста, имело величину в среднем, около 5 гигапаскалей (GP), что в 5 раз выше, чем для паучьего шелка.
«Это новый рекорд в биологии, — сказала доктор Барбер. — Людям свойственно искать пределы возможного. «Шелк» паучьих сетей долгое время сохранял пальму первенства в прочности. И мы счастливы, что нам удалось продемонстрировать, что волокна из зубчиков моллюсков побили этот рекорд. Правда, один мой коллега из Италии утверждает, что обнаружил особо прочный паучий шелк, выдерживающий 4,5 GP, однако мы превзошли и его, измерив силу натяжения в 5 GP. Этот уровень давления — примерно такой же, какой требуется углероду для превращения в алмаз в толще земной коры. С другой стороны по масштабу это можно сравнить с одной ниточкой спагетти, если бы она могла удержать вес полутора тонн мешков с сахаром».
Что же касается материалов, созданных человеком, волокна зубчиков морского блюдечка оказались прочнее кевларового волокна и почти так же хороши, как самые современные и высокотехнологичные материалы из углеродного волокна.
«Изюминка в том, — прокомментировала доктор Барбер, — что при всем том, эти волокна еще и необыкновенно тонки, практически идеальны по своим параметрам для того, чтобы сохраняя прочность, избежать появления разрывов или трещин, ослабления общей структуры материала. Это именно то, чему инженеры могут и должны учиться у природы».
Самый прочный биологический материал обнаружен в зубах морских улиток
Самый крепкий биологический материал в мире на данный момент — это шёлковые нити, из которых паук плетёт свою паутину. Однако исследователи из Великобритании считают иначе: самым крепким материалом, по их мнению, являются зубы морских блюдечек.
Согласно данным новой научной работы, зубы морских блюдечек (Patella vulgata) жестче 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.
Вид зубов морского блюдечка под микроскопом
«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.
Брюхоногая улитка вида Patella vulgata в разрезе
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, 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 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.
Материалов зубов состоит из минерала гётита, заключённого в хитиновую матрицу
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.
Фрагменты зубов улитки измельчали для проведения различных тестирований
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».