Растения демонстрируют огромный диапазон механических свойств

С точки зрения инженера, растения — это примеры точной микроскопической инженерии. Клеточные стенки составляют структурную основу всех растений. В зависимости от их организации и состава растение может быть гибким, как тростник, или прочным, как дуб.

Исследователь MIT скомпилировала данные о микроструктурах различных растений и обнаружила, что они демонстрируют огромный диапазон механических свойств. Это зависит от расположения четырех основных строительных блоков клеточной стенки: целлюлозы, гемицеллюлозы, лигнина и пектина.

Лорна Гибсон, профессор материаловедения и инженерии MIT, считает, что понимание микроскопической организации растений может помочь в проектировании новых биоинспирированных материалов.

«В инженерных материалах тысячи различных типов... Но растения достигают этого, располагая всего четыре основных компонента. Возможно, здесь есть чему поучиться для проектирования инженерных материалов».

Статья с выводами Гибсон опубликована в Journal of the Royal Society Interface.

Три основных типа растительных материалов

Гибсон сосредоточилась на трех типах:

1. Древесина (кедр, дуб).
2. Паренхимные клетки (в плодах и корнеплодах).
3. Стебли древовидных пальм (кокосовая пальма).

Были проанализированы два ключевых механических свойства: жесткость и прочность.

Результаты: огромный диапазон свойств

• Жесткость: Яблоки и картофель оказались наименее жесткими, а самые плотные пальмы — в 100 000 раз жестче.
• Прочность: Яблоки и картофель находятся на нижней границе шкалы, а пальмы — в 1000 раз прочнее.

«Свойства растений охватывают весь этот огромный диапазон. И интересно, как растения этого добиваются».

Секрет — в микроструктуре

Такой разброс свойств обусловлен комбинацией микроструктур:

• Состав клеточной стенки.
• Количество слоев в клеточной стенке.
• Расположение целлюлозных волокон в этих слоях.
• Объем, который занимает клеточная стенка.

Древесина (клены, дубы):

• Клеточные стенки состоят из первичного и трех вторичных слоев с разным составом лигнина и целлюлозы.
• Волокна целлюлозы расположены по спирали.
• Стенки занимают большой объем клетки.
• Клетки организованы в сотовую структуру, что придает древесине жесткость и прочность.

Паренхимные клетки (яблоки, картофель, морковь):

• Клеточные стенки тоньше и состоят только из одного слоя.
• Волокна целлюлозы расположены случайно в матрице из гемицеллюлозы и пектина.
• Нет лигнина.
• Клетки плотно упакованы, напоминая промышленные пеноматериалы.

Пальмы (кокосовые деревья):

• Для компенсации роста в высоту (а не в диаметр) они увеличивают толщину клеточных стенок.
• Толщина стенки зависит от местоположения: стенки толще у основания и на периферии стебля, где изгибающие напряжения максимальны.

Перспективы для инженерии материалов

Гибсон видит в механике растений ценный ресурс для инженеров. Современные технологии пока не позволяют создавать клеточные композитные материалы с таким же уровнем контроля, как у растений.

«Растения многофункциональны... Микроструктуры, которые развили растения, удовлетворяют всем этим требованиям. С развитием нанотехнологий есть потенциал для создания многофункциональных инженерных материалов, вдохновленных микроструктурами растений».

Карл Никлас, профессор биологии растений Корнеллского университета, согласен:

«Растения на Земле эволюционировали три с половиной миллиарда лет... Мы можем учиться у природы и применять эти знания, чтобы создать лучшие материалы».