На коралловых рифах Мирового океана идёт нескончаемый пир. Стая рыб-попугаев вгрызается в каменные ветви, с хрустом перемалывая твёрдый известняк. За день одна рыба способна превратить в песок до 400 килограммов кораллов . Каждый год эти незаметные труженики производят белые пляжи, на которых потом отдыхают туристы. Но как их зубы выдерживают такую нагрузку? Почему они не стачиваются за месяц и не ломаются при укусе камня? Ответ оказался настолько удивительным, что им заинтересовались инженеры, создающие материалы будущего.
Клюв из фторапатита
У рыб-попугаев два набора зубов, работающих как единый конвейер. Спереди, во рту, расположены зубы, сросшиеся в подобие птичьего клюва — именно за это рыба и получила своё название. Этими «клювами» она откусывает куски коралла прямо с рифа. Второй набор — глоточные зубы, спрятанные глубоко в горле. Они работают как жернова, перемалывая откушенные куски в мелкую крошку.
Исследователь Мэттью Маркус из Национальной лаборатории имени Лоуренса в Беркли, изучающий зубы рыб-попугаев, так объяснил свой интерес:
«Я вспомнил, что это рыба, которая целыми днями дробит кораллы и отвечает за значительную часть белого песка на пляжах. Но как эта рыба может есть кораллы и не терять зубы?».
Команда учёных под руководством биофизика Пупы Гилберт из Висконсинского университета в Мадисоне взялась за разгадку этого феномена. Используя мощные рентгеновские лучи и уникальную методику визуализации, они заглянули внутрь зубов рыбы-попугая и обнаружили нечто поразительное.
Кольчуга нанокристаллов
Зубы рыбы-попугая состоят из фторапатита — того же минерала, что входит в состав нашей зубной эмали . Но у рыб он упакован совершенно иначе. Исследователи выяснили, что кристаллы фторапатита шириной всего 100 нанометров и длиной в несколько микрон собраны в пучки, которые переплетены между собой, как нити основы и утка в ткани. Эту структуру учёные назвали «волокнами», и она напоминает настоящую кольчугу.
Профессор Пупа Гилберт, руководившая исследованием, не скрывает восхищения: «Зубы рыб-попугаев — самые крутые биоминералы из всех. Они самые жесткие, одни из самых твердых и самые устойчивые к растрескиванию и истиранию из всех когда-либо измеренных».
Механические характеристики подтверждают её слова. Модуль упругости зуба достигает 124 ГПа, а твёрдость вблизи кусающей поверхности — 7,3 ГПа . Это один из самых высоких показателей среди всех биологических материалов. При этом вязкость разрушения (сопротивление растрескиванию) составляет около 2,5 МПа·м¹/² — очень много для столь минерализованного материала.
А вы задумывались, почему зубы не стачиваются равномерно по всей длине? Напишите своё мнение в комментариях
Градиент прочности
Исследователи обнаружили ещё одну хитрость. Диаметр кристаллических пучков постепенно уменьшается от основания зуба к его кончику: с 5 микрометров в основании до 2 микрометров на острие. И это не случайно: чем ближе к кончику, тем выше твёрдость материала. Такая градиентная структура позволяет зубу выдерживать колоссальные нагрузки, не ломаясь — кончик достаточно твёрд, чтобы дробить камень, а основание достаточно вязкое, чтобы гасить удары.
Мэттью Маркус поясняет результаты исследования:
«Пучки кристаллов, переплетённые как кольчуга, придают зубам рыбы-попугая их замечательную кусательную способность и упругость. Механические измерения показали, что твёрдость и жёсткость постепенно увеличиваются от основания к кончику каждого зуба».
Подарок инженерам
Такая уникальная структура не могла остаться незамеченной материаловедами. Понимание того, как природа создала материал, сочетающий твёрдость алмаза и вязкость стали, может помочь в разработке новых композитов для промышленности.
Профессор Пупа Гилберт видит в этом большой потенциал:
«Плетение кристаллов» для имитации этой структуры может стать способом производства новых синтетических материалов. Усилия по искусственному воспроизведению структуры человеческой зубной эмали уже предпринимаются, но зубы рыб-попугаев открывают захватывающую возможность создать нечто действительно прочное».
Свойства, продемонстрированные этими зубами, могли бы пригодиться в механических компонентах электроники и других устройствах, подвергающихся повторяющимся контактам, движению и истиранию. Инженеры уже присматриваются к природному дизайну: возможно, скоро мы будем пользоваться смартфонами, чьи детали созданы по образцу зубов тропической рыбки.
Интересный факт: учёные подсчитали, что твёрдость зубов рыбы-попугая эквивалентна давлению, которое создавала бы стопка из 88 африканских слонов, сжатых на площади в один квадратный дюйм.
Рыба-попугай превратила свои зубы в идеальную дробилку, способную перемалывать тонны кораллов без разрушения. Секрет — в уникальной микроструктуре: переплетённые кристаллы фторапатита, организованные в градиент прочности от основания к кончику. Природа создала материал, о котором инженеры могут только мечтать. И кто знает, возможно, через несколько лет защитные экраны наших телефонов будут делать по тому же принципу, что и зубы тропической рыбки, создающей белые пляжи на другом конце света.
Понравилась статья? Подпишитесь на канал, чтобы не пропускать новые рассказы об удивительных обитателях подводного мира, и сделайте репост — друзьям будет интересно узнать о рыбе, чьи зубы прочнее металла и вдохновляют создателей суперматериалов!