Зубы морских блюдечек оказались прочнее паучьего шёлка, самый прочный природный материал (2015)
Морские улитки-блюдечки (лимпеты) цепляются за прибрежные камни с силой около 75 фунтов на квадратный дюйм (примерно 5,3 кг/см²), используя мускулистую «ногу» и клейкую слизь. Но куда удивительнее их способность соскабливать поверхность камня во время питания зубастым языком-радулой. Инженеры из Великобритании во главе с Асой Барбером из Университета Портсмута протестировали материал этих зубов и обнаружили, что он в среднем примерно в пять раз прочнее большинства образцов паучьего шёлка, материала, который раньше сравнивали с кевларом и считали самым прочным в природе. В лабораторных тестах зубы блюдечек выдерживали давление, при котором углерод превращается в алмаз. Оказалось, что зубы состоят из нановолокон гётита (кристалла на основе железа), заключённых в белковую матрицу. По совокупной прочности материал зубов уступает лучшим искусственным материалам вроде графена, но по верхней границе показателей превосходит кевлар и сопоставим с лучшими образцами углеродного волокна. Результаты опубликованы в журнале Royal Society Interface. Если говорить об абсолютно самом прочном материале на Земле в целом, а не только природном, то интуитивный ответ «алмаз» тоже неточен: искусственные наноматериалы прочнее алмаза, а среди природных его превосходят ещё два редких материала, вюрцитный нитрид бора (по строению похож на алмаз, но кроме углерода содержит бор и азот) и лонсдейлит (полностью углеродный материал с гексагональной, а не кубической как у алмаза, структурой; образуется при падении на Землю графитсодержащих метеоритов и выдерживает на 58% больше нагрузки, чем алмаз). Позже, в 2017 году, редакция Smithsonian добавила уточнение по просьбе внимательного читателя: в статье слова «прочность» и «стойкость» относятся к прочности на растяжение (способности материала сопротивляться разрыву при растягивании), а не к прочности на сжатие (способности выдерживать сдавливание); а сравнение с вюрцитным нитридом бора и лонсдейлитом касается не прочности на растяжение, а твёрдости, способности сопротивляться царапинам и порезам.
Ключевые факты
- Зубы морских улиток-блюдечек (лимпетов) в среднем примерно в 5 раз прочнее большинства образцов паучьего шёлка, прежнего рекордсмена среди природных материалов
- Зубы состоят из нановолокон гётита (железосодержащего кристалла), заключённых в белковую матрицу; такой материал зубы используют, чтобы соскабливать пищу с поверхности камней радулой, зубастым языком
- Исследование провёл Аса Барбер (Университет Портсмута, Великобритания), результаты опубликованы в Journal of the Royal Society Interface
- Материал зубов уступает по прочности искусственным материалам вроде графена, но по верхней границе сопоставим с лучшим углеродным волокном и превосходит кевлар
- Среди природных материалов зубы блюдечек всё же не абсолютный рекордсмен по всем параметрам: два редких минерала, вюрцитный нитрид бора и лонсдейлит, превосходят алмаз по твёрдости, хотя речь идёт о другом показателе, чем прочность на растяжение
Почему это важно
Открытие меняет представление о рекордсмене прочности среди природных материалов: паучий шёлк, который десятилетиями сравнивали с кевларом и приводили как эталон прочности и гибкости, оказался в среднем в пять раз слабее зубов обычных прибрежных улиток. Это не просто курьёз: материал, выдерживающий давление, при котором углерод превращается в алмаз, устроен на удивление просто, нановолокна гётита в белковой оболочке, и именно эта архитектура даёт исключительное сочетание прочности с малым размером структур.
Кому это важно
В первую очередь, материаловедам и инженерам, работающим над сверхпрочными и лёгкими композитами: структура зубов блюдечек показывает, как из недорогих и распространённых компонентов (железосодержащий минерал плюс белок) можно получить материал, конкурирующий по прочности с углеродным волокном. Интерес представляет и для биологов, изучающих биоминерализацию, то, как живые организмы выращивают минеральные структуры с заданными механическими свойствами.
Как это применить
Авторы исследования рассматривают структуру зуба блюдечка как образец для биомимикрии, заимствования архитектуры природных материалов при разработке новых инженерных материалов, конструкций и даже механизмов, где нужно сочетание прочности и гибкости. Прямых промышленных продуктов на основе открытия статья не описывает, речь идёт о фундаментальном материаловедческом результате, который может вдохновить будущие разработки.
Можно ли доверять
Результат опубликован в рецензируемом журнале Royal Society Interface, исследование провела команда инженеров под руководством Асы Барбера из Университета Портсмута, а материал независимо освещали BBC News, журнал Science и New Scientist. Сама статья Smithsonian датирована 2015 годом (на HN её обсуждают повторно), и в 2017 году редакция добавила официальное уточнение терминологии по замечанию читателя: изначальный текст не разграничивал прочность на растяжение и прочность на сжатие/твёрдость, что могло ввести в заблуждение относительно того, какой именно показатель сравнивается.
Риски и подводные камни
Главная ловушка, путаница в терминах, на которую прямо указывает редакционная правка 2017 года: «прочность» зубов блюдечек и паучьего шёлка в статье означает прочность на растяжение (сопротивление разрыву), а сравнения с вюрцитным нитридом бора и лонсдейлитом относятся к твёрдости (сопротивлению царапинам), это разные физические свойства, и смешивать их некорректно. Кроме того, зубы блюдечек, рекордсмен только среди природных материалов: по абсолютной прочности они уступают искусственным наноматериалам вроде графена.
«Это сравнимо с тем, как одна нить спагетти удерживает около 3300 однофунтовых пакетов сахара.»
— Аса Барбер, Университет Портсмута