Чтобы по-настоящему понять прочность человеческих костей, британские исследователи заглянули глубже в их структуру, чем когда-либо прежде. В научной американской статье, они сообщили, что обнаружили эллиптическую наноструктуру скручивания в спирали вокруг одинаково тонких волокон.
Наноструктуры состоят из минеральных кристаллитов, а фибриллы - из белкового коллагена. Эти взаимосвязанные формы составляют кость на самом фундаментальном уровне. Они могли бы объяснить невероятную прочность материала.
В 1960-х годах исследователи использовали самые ранние электронные микроскопы, чтобы рассмотреть кость крупным планом. Они определили что оно главным образом было составлено из минералов косточки и коллагена.
С тех пор костные эксперты были разделены на два лагеря по организации этих двух составляющих. Одна группа заявила, что фибриллы окружали минералы, в то время как другой лагерь утверждал, что это было наоборот.
Исследователи обнаружили спиралевидные наноструктуры костных минеральных кристаллов.
В университете Йорка (York) группы, возглавлял исследователь Ролан Крегер, который вознамерился разрешить этот спор раз и навсегда. Они использовали новейшие электронные микроскопы и ионный резак для получения образцов кости.
Предыдущие исследования использовали лопастные пилы, чтобы разрезать кость. Однако, этот традиционный метод был показан к наноструктурам трещиноватости. Вместо этого, Kрегер использовал сфокусированный ионный луч, чтобы тщательно нарезать очень маленькие и тонкие участки кости.
Йоркские исследователи снимали эти крошечные кусочки кости с помощью электронных микроскопов. Два из трех снимков показывают паттерны, которые эксперты уже видели раньше.
Предположено, что расположение длинных, тонких нитей является продольным изображением кости. Между тем, web-подобный рисунок широко считается поперечным сечением фибрил.
На третьем изображении появился новый рисунок. Структура состояла из плотных групп шестиугольников, которые усеяны меньшими точками. Темные линии вертятся через центр уникального образования.
Крегер назвал спиральные наноструктуры "розетками"."Он первоначально полагал, что формы были сечением коллагеновых фибриллов, которые были приняты под новым углом.
Его команда взяла больше фотографий электронного микроскопа очень тонкого куска кости с разных углов. После каждого выстрела они поворачивали срез на один градус. Они скомпилировали все свои фотографии в 3D модель-образец.
Томограмма показала модель игольчатых кристаллов костного минерала и коллагеновых волокон. Минералы сформировали спиральную ремонтину вокруг коллагена.
Новая спиральная минеральная наноструктура оспаривается некоторыми экспертами по кости.
В то время как некоторые исследователи костей приветствовали открытие Йоркской команды, другие отвергли новую модель. Диссиденты процитировали более ранние результаты с помощью Малоуглового рентгеновского рассеяния, что является другой метод визуализации, чем метод электронного микроскопа, используемый Kрегером.
Исследования с использованием Малоуглового рентгеновского рассеяния показали, что костные нанокристаллы имеют форму пластин, а не игл.
Кроме того, спиральная организация кристаллитных игл уклонилась от объяснения. Одна из теорий заключается в том, что коллагеновые фибриллы обезвоживались, пока готовился образец.
Обезвоживание привело бы к тому, что фибриллы сократились бы. Это в свою очередь, возможно, заставило кристаллы принять изогнутую форму. Минералы, возможно, были прямыми для начала.
Тем не менее, спиральная наноструктура может объяснить силу костей. Спиральная пружина, которая отличает подобными кривыми к винтовой линии, может поддержать очень большой вес чем линейные эквиваленты.
Похоже, что губчатая структура костных коллагеновых нитей вдохновила перекрещивающуюся структуру Эйфелевой башни. Эта новая спиральная модель костной наноструктуры может также вдохновлять на новые строительные технологии и строительные материалы.