Кулаки раков-богомолов раскрыли секрет сверхпрочного материала
Ракообразные давно привлекают внимание биологов, и не только из-за особенностей своего поведения. Например, содержащиеся в панцире крабов и креветок химические соединения, такие как хитин, широко используются для создания биологически активных добавок, лекарств и косметических средств. В новом исследовании американские учёные, изучая рака-богомола, приблизились к созданию сверхпрочных композитных материалов.
Небольшие, но прочные передние конечности рака-богомола развивают скорость пули и с лёгкостью разбивают панцирь жертвы и даже стекло аквариума (фото Carlos Puma).
Ракообразных из отряда ротоногих, известных как раки-богомолы, можно разделить на две группы по типу "оружия", используемого на охоте. Если у одних видов передние клешни превратились в острые ножи для поражения мягкотелых морских обитателей, у других эти конечности похожи на кулаки, и их мощные удары разбивают панцирь и оглушают жертву. Эти существа известны тем, что устраивают ритуальные бои и определяют победителя по "набранным очкам".
Дэвид Кисаилус (David Kisailus) и его коллеги из Калифорнийского университета в Риверсайде на протяжении восьми лет исследовали технику ударов и строение клешней "ротоногих-боксёров", чтобы найти пути создания новых материалов.
Выбор объекта исследования не случаен – кулак раков-богомолов ускоряется до 80 километров в час всего за три тысячные секунды и движется так быстро, что вода вокруг вскипает и создаёт звуковую ударную волну. Известны случаи, когда рачки одним таким ударом разбивали стекло аквариума. При этом сама клешня не получает никаких повреждений, и было очевидно, что секрет этой феноменальной прочности следует искать в строении нароста на последнем членике.
В предыдущем исследовании команда уже обнаружила во внутренних слоях придатка спиралевидные структуры, которые играют роль пружины и гасят энергию удара. Теперь в рамках проекта, финансируемого отделом научных исследований Военно-воздушных сил США, учёные описали новую уникальную структуру наружной поверхности кулака, которая обеспечивает конструкции столь высокую прочность.
Волокна наружного слоя "кулака", структурированные в форме "ёлочки", обеспечивают равномерное распределение энергии удара
(иллюстрация UC Riverside).
Химический анализ показал, что в верхнем слое нароста на последнем членике ударных клешней органические волокна хитина окружены кристаллами фосфата кальция. Это соединение также содержится в человеческих костях. Но главное: сильно минерализованные волокна расположены не в случайном порядке, как в более глубоких слоях, а строго структурированы в форме "ёлочки".
"Ранее мы выяснили, что рак-богомол передаёт своей жертве невероятный импульс, и при этом не повреждает собственные конечности, но теперь мы показали, что свойства этого ударопрочного материала обеспечивает структура "ёлочкой", – сообщает в пресс-релизе соавтор исследования Николас Ярагхи (Nicholas Yaraghi).
Чтобы проверить, насколько эффективна обнаруженная структура волокон, команда Кисаилуса обратилась к специалисту по гражданской инженерии Пабло Цаваттьери (Pablo Zavattieri) из Университета Пердью, который сделал компьютерные модели, а затем напечатал материал со сходной структурой на 3D-принтере.
Расчёты показали, что форма расположения волокон обеспечивает равномерное распределение энергии удара по всей поверхности. Затем эти выводы были подтверждены в ходе реальных испытаний сходного композитного материала.
Комбинация двух структур, открытых в "кулаке" рака-богомола, поможет создать ещё более прочные бронежилеты и шлемы, уверены учёные. Кроме того, новая подсмотренная в природе технология может быть использована при изготовлении корпусов самолётов, кораблей и автомобилей.
Подробнее с результатами исследования можно ознакомиться в статье, опубликованной в издании Advanced Materials.
