 Новое исследование раскрывает детали о том, как экзоскелет определенного типа глубоководной креветки позволяет животному выжить в обжигающе горячей воде в гидротермальных источниках на тысячи футах под водой.
Выживание биологических видов в подобных экстремальных условиях является большой проблемой. И креветки являются примером эволюции, так как по всему миру распространены различные виды на разных глубинах и с различными требованиями по адаптации.
Ученые сравнивали экзоскелеты глубоководной креветки Rimicaris exoculata и мелководных креветок Pandalus platyceros. Глубоководные виды проживают на 2000 метров ниже поверхности океана в вулканических гидротермальных источниках, где температура может превышать 400 градусов по Цельсию, в то время как другие виды живут чуть ниже поверхности океана. Исследователи желают понять, как эволюция влияет на поведение материала в экзоскелетах этих двух видов креветок, которые проживают в различных условиях.
Исследования сложного молекулярного поведения материалов может привести к разработке нового синтетического брони, способной выдержать экологические крайности.
Исследователи исследовали интерфейс между двумя ключевыми компонентами экзоскелетп: белок, называемый хитином, и костеподобный минерал, известный как кальцит. То, как эти два типа материалов (органический и неорганический) - ведут себя их вместе, имеет решающее значение для определения того, как работает экзоскелет.
Были изучены десять экзоскелетных образцов были изучены, и экспериментальные исследования, выполненные с помощью лабораторных методов, включая сканирующую электронную микроскопии и электронную дифракционную спектроскопию, открывая подробности о структуре и химическом составе.
В экзоскелете оба вида креветок обладают теми же микроструктурами. Хитин, кальцит и другие компоненты расположены в слоистой геликоидальной структуре, напоминающей винтовую лестницу. Сравнение двух видов, однако, показало различия в плотности структур, толщине слоев и содержании минеральных веществ. Экзоскелет глубоководных креветок, как было найдено, обладает более плотно упакованной структурой.
К их удивлению, исследователи обнаружили, что экзоскелет поверхностных креветок приблизительно в 10 раз прочнее, чем экзоскелет глубоководной креветки. Механически, можно было бы ожидать, что, когда он уплотняется, он становится сильнее, но на самом деле он ослабевает после уплотнения.
Самые последние исследования показали, что происходит на границе раздела между хитином и кальцитом и тем, как эти механизмы влияют на производительность экзоскелета. Этот интерфейс помогает определить, как структура передает напряжение.
Результаты показали, что глубоководный экзоскелет гораздо мягче, но при этом способен выдерживать экстремальную температуру и давление. Экзоскелет поверхностной креветки в 10 раз прочнее и лучше способен защищать от хищников. Даже если оба экзоскелета имеют ту же основную микроструктуру, они являются совершенно разными материалами.
Информация о вязкости интерфейса, полученная с помощью молекулярного моделирования взаимодействующих материалов, позволяет более точно моделировать то, как полимер-керамические композиционные материалы подвергаются деформации. Исследователи разработали «вязкопластичный закон» - математические уравнения для подобного интерфейса.
Обычные модели для полимер-керамических композитов не подходят, потому что они опираются на пиковую силу, в то время как материалы, более вероятно, могут сломаться при высокой деформации или растяжении.
Результаты проливают свет на том, как вода играет важную роль в обеспечении прочности молекулярной структуры экзоскелетов. Исследователи также создали «интерфейс базы данных», чтобы смоделировать, как особенности композиционного материала будет выполняться с учетом его состава, микроструктуры и типа интерфейса.
В соответствующих исследованиях, команда работает с сотрудниками в Венском технологическом университете, чтобы изучить интерфейс между коллагеном и костями человека, а также то, как кости деформируются с течением времени. Полученные результаты могут помочь лучше моделировать поведение медицинских имплантатов.
|
