Создан чрезвычайно прочный материал, который может стать заменой кевлару

Ученые из Университета Портсмута в 2015 году обнаружили, что самый прочный биологический материал – это зубы моллюска известного как морское блюдечко. Это общеупотребительное название для различных солено- и пресноводных улиток (водных брюхоногих моллюсков). Оно относится к улиткам с простой раковиной, обычно конической формы, не свернутой в спираль.

Зубы этих существ обладают самой высокой прочностью на растяжение среди всех биологических материалов. Вдохновившись этими кремневыми клыками, та же команда создала композитный биоматериал с чрезвычайной прочностью, который может стать более устойчивой альтернативой высокоэффективным материалам, таким как кевлар.

Блюдца очень хорошо цепляются за скалы вдоль береговой линии, и частью этого прибрежного образа жизни является отличное владение зубами на неровных поверхностях, благодаря чему они собирают водоросли для кормления. 

В исследовании семилетней давности ученые использовали атомно-силовую микроскопию для изучения материала зуба блюдечка и его анализа на атомном уровне. Работа показала, что зубы существа имеют прочность на растяжение от 3 до 6,5 гигапаскалей (ГПа). Для сравнения, прочнейший драйглайн-шелк пауков имеет предел прочности на разрыв около 1,3 ГПа, а сталь – около 1,65 ГПа.

Ученые считают, что причиной невероятной прочности на растяжение зуба блюдечка является густая сеть хитиновых волокон с мелкими кристаллами железосодержащего геотита, разбросанными повсюду в их зубах. 

В настоящее время команда создала систему, которая позволяет формировать аналогичные структуры в лаборатории, которая начинается со стекла, покрытого сывороткой, хитина и оксида железа, нанесенных сверху. Через две недели они самоорганизуются в орган, ответственный за формирование зубов блюдечка, называемый радула.

Биоматериал, вдохновленный блюдечком, окрашенный красителем берлинская лазурь
Фото: University of Portsmouth

Используя комбинацию изолированных клеток радулы, образцов тканей, минерализованного хитина и техники, называемой электропрядением, ученые затем смогли вырастить ленты биомиметических зубов блюдечек шириной полсантиметра.

Робин Рамни

ведущий автор исследования

Новый композитный биоматериал с чрезвычайной прочностью может занять важное место в мире синтетических материалов. Если команда сможет успешно масштабировать процесс, то миру будет представлена более устойчивая альтернатива таким материалам, как кевлар и пластик, которые требуют больших ресурсов для производства и не так легко перерабатываются.

«Полностью синтетические композиты, такие как кевлар, широко используются, но производственные процессы могут быть токсичными, а материалы трудно и дорого перерабатывать», – объясняет Рамни.

В настоящее время исследователи обращают внимание на оптимизацию процесса и его расширение для производства синтетических зубов блюдечек в масштабе, необходимом для массового производства.

«Наш следующий шаг – найти другие способы вызвать образование железа, поэтому мы изучаем секрецию клеток блюдечка, чтобы лучше понять процессы. Мы хотим извлечь интересующие нас гены и, надеюсь, поместить их в бактерии или дрожжи, чтобы вырастить их в больших масштабах. Очевидно, что у нас сейчас кризис пластика в океанах, и я думаю, что это хороший пример того, что мы можем научиться у морских существ тому, как лучше защитить их, заменив использование пластика биологическим аналогом», – резюмирует Рамни.