Американские ученые вдохновились морской звездой Protoreaster nodosus при разработке керамических материалов. Исследуя сложную и высокоупорядоченную минерализованную скелетную систему беспозвоночного, авторы обнаружили неожиданное сочетание характеристик, которое поможет создавать совершенно новый класс высокоэффективных и легких керамических композитов. Статья опубликована в журнале Science.
По сравнению с металлическими и полимерными материалами керамика лучше противостоит высоким температурам и агрессивным средам. Однако хрупкость не позволяет создавать из нее конструкционные материалы. Пытаясь создать легкую и прочную керамику, ученые из Политехнического университета Вирджинии исследуют различные биологические структуры.
Часто желаемыми характеристиками обладают пористые ткани. Ранее авторы изучили уникальный внутренний скелет каракатицы, который благодаря пористости остается прочным и жестким, но при этом сохраняет плавучесть. Теперь исследователи обратились к морской звезде Protoreaster nodosus.
На микроуровне скелет морской звезды имел решетчатую структуру и демонстрировал самую высокую структурную регулярность, когда-либо обнаруженную у этих беспозвоночных. Авторы задались вопросом, как этот решетчатый материал обеспечивает механическую защиту, ведь скелеты морских звезд состоят из кальцита — хрупкой кристаллической формы карбоната кальция.
Оказалось, что, как и у других видов морских звезд, скелет P. nodosus состоит из множества миллиметровых скелетных элементов, соединенных с мягкими тканями, что и позволяет животному сохранять гибкость движений. При этом каждый элемент состоит из однородной микрорешетчатой структуры
«Этот уникальный материал подобен периодической решетке, вырезанной из куска монокристалла кальцита, — говорит руководитель исследования Линг Ли. — Эта почти идеальная микрорешетка ранее не встречалась в природе и еще не была создана человеком. Большинство материалов с очень регулярной решеткой изготавливаются путем объединения небольших кристаллов, однако скелет морской звезды вырос как единое целое».
Авторы использовали 3D-печать для создания крупномасштабных версий этих сложных решетчатых структур. В настоящее время 3D-принтеры производят структуры на микрометровом уровне, но печать керамики по-прежнему требует обжига, который может привести к появлению множества крошечных дефектов. Ученые надеются, что прогресс в области 3D-печати и новое понимание механизмов формирования биологических структур, таких как скелеты морских звезд, в конечном итоге позволят создать идеальный керамический материал.
Подписывайтесь на InScience.News в социальных сетях: ВКонтакте, Telegram, Одноклассники.
