Железные челюсти морской мыши
Морские мыши (многощетинковые черви) встречаются практически повсеместно в морской воде и населяют океаны сотни миллионов лет. Однако некоторые их особенности были расшифрованы только сейчас: их челюсти состоят из необычайно стабильного материала, а секрет этой стабильности удалось объяснить в ходе экспериментов в TU Wien совместно с Max Perutz Labs.
Ключевую роль играют атомы металлов, встроенные в белковую структуру материала. Они делают материал одновременно твёрдым и гибким — очень похоже на обычные металлы. Дальнейшие исследования этого класса материалов направлены на создание новых, пригодных для промышленности материалов естественным путём.
Отдельные атомы металлов
«Материалы, из которых состоят позвоночные, хорошо изучены, — говорит профессор Кристиан Хеллмич из Института механики материалов и структур TU Wien. — Кости, например, имеют очень иерархическую структуру: есть органические и минеральные части, крошечные структуры объединяются в более крупные, которые, в свою очередь, образуют ещё более крупные».
С морскими мышами всё иначе. Их челюсти чрезвычайно прочны и не ломаются, но не содержат минеральных гранул, как кости позвоночных. Вместо этого в них присутствуют металлы. Конечно, это не имеет ничего общего с чистыми металлическими объектами, такими как золотые зубы или искусственные тазобедренные суставы из титана: морская мышь использует металлы, такие как магний или цинк, в виде отдельных атомов, встроенных в белковую структуру.
«Сам по себе факт наличия атомов металлов в челюсти морской мыши не объясняет её превосходных материальных свойств, — говорит Хеллмич. — Типичные свойства, известные из повседневных металлов — помимо их твёрдости и упругости, прежде всего их вязкость — в конечном счёте создаются только благодаря взаимодействию множества атомов». Создаются скользящие поверхности, вдоль которых атомы движутся друг относительно друга. Это можно исследовать с помощью так называемых тестов на наноиндентирование: на материал оказывается точно определённое усилие, а затем изучаются возникающие деформации. Неожиданно выяснилось, что материал челюсти морской мыши ведёт себя очень похоже на металл.
Древний высокопроизводительный материал
«Принцип построения, сделавший челюсти морской мыши такими успешными, по-видимому, возник около 500 миллионов лет назад, — говорит Флориан Райбль из Max Perutz Labs, совместного предприятия Венского университета и Медицинского университета Вены. — Ионы металлов встраиваются непосредственно в белковые цепи, а затем обеспечивают удержание вместе различных белковых цепей». Таким образом, морская мышь может создавать трёхмерные формы из особо стабильной белковой матрицы.
В то же время эта структура также допускает деформацию: при приложении внешней силы к материалу белковые цепи могут скользить друг относительно друга. Материал допускает упругопластические деформации, а не является хрупким и ломким.
«Именно это сочетание высокой прочности и деформируемости обычно характерно для металлов, — говорит ведущий автор исследования Луис Селая-Лайнес, который использовал методы материаловедения для изучения крошечных челюстей. — Здесь мы имеем дело с совершенно другим материалом, но, что интересно, атомы металлов всё равно обеспечивают там прочность и деформируемость, как в куске металла».
В то время как промышленно производимые металлы можно получить только с использованием большого количества энергии, морская мышь достигает аналогичного результата гораздо более эффективным способом. «Биология могла бы послужить здесь вдохновением для совершенно новых видов материалов, — надеется Хеллмич. — Возможно, даже удастся производить высокопроизводительные материалы биологическим способом — гораздо эффективнее и экологичнее, чем мы делаем это сегодня».