«Акулотектура»: наноструктура скелета чернопёрой акулы
Скелеты акул, эволюционировавших более 450 миллионов лет, состоят не из кости, а из минерализованного хряща. Их позвоночник работает как природная пружина, накапливая и высвобождая энергию при каждом ударе хвоста.
Учёные из Флоридского Атлантического университета (FAU) в сотрудничестве с Немецким синхротроном (DESY) и NOAA Fisheries впервые детально изучили внутреннюю структуру позвонков чернопёрой акулы (Carcharhinus limbatus) на наноуровне. Исследование, опубликованное в ACS Nano, использовало синхротронную рентгеновскую нанотомографию, 3D-визуализацию и in-situ механические тесты.
Структура минерализованного хряща
Были выявлены две чёткие области в позвонке:
Corpus calcareum
Intermediale
Обе состоят из плотно упакованного коллагена и биоапатита, но их внутренняя архитектура различается. В обеих областях минерализованные пластины образуют пористые структуры, усиленные толстыми распорками, что позволяет скелету выдерживать нагрузку с разных направлений.
Наноустройство для прочности и гибкости
На наноуровне обнаружены игольчатые кристаллы биоапатита (минерал, присутствующий и в человеческих костях), выровненные вдоль волокон коллагена. Эта комбинация придаёт хрящу прочность, сохраняя гибкость.
Также выявлены спиральные волокнистые структуры на основе коллагена. Эта слоистая конструкция оптимизирована для остановки распространения трещин. Под нагрузкой сети волокон и минералов совместно поглощают и распределяют силу.
«Природа создаёт удивительно прочные материалы, сочетая минералы с биополимерами, такими как коллаген — процесс, известный как биоминерализация», — говорит Вивиан Мерк, Ph.D., старший автор исследования.
Механические испытания
При механическом воздействии на микрообразцы позвонков после первого цикла нагрузки наблюдались деформации менее микрометра. Трещины появлялись только после второго цикла и ограничивались одной минерализованной плоскостью, что указывает на устойчивость материала к катастрофическому разрушению.
«Мы обнаруживаем, как крошечные минеральные структуры и коллагеновые волокна объединяются, создавая материал, одновременно прочный и гибкий, идеально приспособленный для мощного плавания акулы», — отмечает соавтор Марианна Портер, Ph.D.
Значение для материаловедения
Чернопёрые акулы, известные своей скоростью (до 20 миль в час) и акробатическими прыжками из воды, демонстрируют эффективность своей «акулотектуры».
Исследование раскрывает биомеханику скелета акул и предлагает модель для создания новых материалов.
«Многослойная волокнистая структура хряща акулы предлагает убедительную модель для высокопроизводительного, устойчивого дизайна, перспективного для разработки передовых материалов — от медицинских имплантатов до ударопрочного снаряжения», — резюмирует Стелла Баталама, Ph.D., деинженерного колледжа FAU.