Достаточно долгое время материал, из которого пауки ткут свою паутину, считался самым прочным материалом естественного происхождения. Это побуждало исследователей изучать особенности этого материала, которые позже нашли практическое применение в ряде материалов искусственного происхождения. Но недавно ученые-материаловеды получили новый источник “вдохновения”, материал, из которого состоят зубы моллюсков, имеющих название “морские блюдечка” (Limpets). Этот материал обладает прочностью, превышающей прочность паучьего шелка, и сопоставим по этому показателю с самыми прочными материалами на основе углеродистого волокна, а его дальнейшее изучение может привести к появлению нового класса искусственных материалов, которые могут быть использованы в конструкциях судов, автомобилей, самолетов и космических аппаратов.
Морские блюдечка – это водные моллюски, раковина которых имеет форму, отдаленно напоминающую форму блюдца или национального вьетнамского головного убора. Эти моллюски цепляются на поверхность подводных скал недалеко от береговой линии и каждый, кто пытался оторвать раковину моллюска от скалы, знает, что это не совсем такая уж и простая задача. Однако мелкие зубы, состоящие из невероятно прочного материала, играют несколько иную роль, моллюск при помощи своей мускулистой “ноги” и этих зубов на крае раковины отделяет морские водоросли, которыми он питается, от поверхности подводных скал и камней.
Для исследований пределов прочности материала зубов моллюска исследователи использовали атомно-силовой микроскоп, который позволил исследовать образец на самом маленьком уровне, на уровне атомов и молекул. Исследования образца, размер которого в 100 раз меньше толщины человеческого волоса, показали, что его предел прочности находится в диапазоне от 3 до 6.5 ГПа, для сравнения, предел прочности обычной стали составляет около 1.65 ГПа. И что самое интересное, что прочность материала зубов моллюска практически не зависела от размеров испытуемых образцов.
“Вообще структура любых больших объектов всегда имеет множество дефектов, из-за чего ее прочность всегда меньше прочности меньшего объекта, структура которого содержит меньшее количество дефектов” – рассказывает Эйса Барбер (Asa Barber), – “Отсюда вытекает проблема, что большинство объектов, которым просто необходимо быть большими, имеют гораздо более низкую прочность, чем нам хотелось бы. Но зубы моллюска являются исключением из этого правила, прочность их материала практически не зависит от их размера”.
В дальнейших исследованиях ученые обнаружили, что столь высокую прочность материалу зубов моллюска придает наличие гетита, твердой гидроокиси оксида железа (FeO(OH)), который является основным компонентом ржавчины и игольчатой железной руды. По мере роста моллюска в его зубах из этого минерала создается своего рода сетчатая волокнистая наноструктура, которая и придает материалу в целом его высочайшую прочность.
“Инженеры и ученые-материаловеды во все времена интересовались созданием структур в пределах материалов, которые увеличивают его прочность или позволяют уменьшить его плотность” – рассказывает профессор Барбер, – “Волокнистые структуры, существующие в материале зубов моллюска, без особых затруднений могут быть воспроизведены на более высоком технологическом уровне, придавая материалам высочайшую прочность, необходимую для создания конструкций автомобилей Формулы-1, морских и речных судов, самолетов и космических кораблей”.