Раковины чешуеногих моллюсков могут стать прототипом брони нового поколения
На глубине около двух с половиной тысяч метров вблизи Каирейского (Kairei) гидротермального поля, расположенного вдоль Центрального индийского хребта, учёные недавно обнаружили крохотного чешуеногого моллюска, семейство Peltospiridae, вид Crysomallon squamiferum. Принцип конструкции раковины этой редкой улитки, как заявляют ученые Массачусетского технологического института (Massachusetts Institute of Technology), станет основой для создания легких и в то же время сверхпрочных материалов, используемых во многих видах промышленности, - от авиационных конструкций до спортивной одежды.
По словам исследователей, найдены новые материалы и принципы механического устройства плакированных железом многослойных структур, которым нет аналогов среди всех известных природных и синтетических видов брони. Посредством наномасштабных экспериментов и компьютерных симуляций ученые выяснили, что определенная комбинация разных материалов, микроструктура, градация и слоистость брони животного способствуют «снижению проницаемости, рассеиванию энергии, уменьшению хрупкости, прогибания и растягивающих нагрузок, а также блокаде трещин», говорится в докладе "Protection mechanisms of the iron-plated armor of a deep sea hydrothermal vent gastropod", опубликованном в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.
Такие мощные защитные свойства панциря C.squamiferum объясняются тем, что чешуеног живет в чрезвычайно неблагоприятных условиях внешней среды – на большой глубине, при высоких температурах и давлении, вблизи высококислотных горячих источников и, к тому же, постоянно подвергается нападению со стороны хищных крабов и других улиток.
В связи с особенностями среды обитания у чешуенога развилась необычная трехслойная структура панциря. Оказывается, моллюск прибегает к уникальным приемам защиты. Эта уникальность заключается в том, что внешняя оболочка его раковины состоит из твердых частиц сульфида железа, которые образуются в гидротермальных источниках и достигают в диаметре не более 20 нанометров. Затем эти наночастицы откладываются в мягкой органической матрице, выделяемой животным. Несмотря на то, что наружный слой чрезвычайно жесткий, он весьма чувствительный к образованию «микротрещин», которые, как это ни парадоксально, поглощают энергию механического удара и тем самым предупреждают образование более крупных трещин. Кроме того, частицы сульфида железа способны притуплять и деформировать клешни нападающих крабов.
Средний слой представляет собой толстый губкообразный материал, который используется в качестве подкладочного материала, способного еще больше гасить механический удар, тем самым, защищая хрупкую оболочку моллюска – внутреннюю. Она состоит из карбоната кальция и выступает в роли структурной опоры.
Определяя прочность брони моллюска, исследователи провели ряд экспериментов, в ходе которых симулировали нападения хищников, используя компьютерное моделирование и тесты по измерению твердости методом вдавливания. Для этого ученые наносили удары по раковине чешуенога алмазной иглой (применяя примерно ту же силу, которую используют крабы, сжимая моллюска клешнями). Затем ученые моделировали все три оболочки раковины и имитировали виртуальную атаку краба.
Принцип плакирования брони железными частицами, которые способны рассеивать ударную волну путем образования микротрещин, мало изучен в области синтетических систем и выглядит многообещающе, считает Кристина Ортиз, ведущий автор исследования из МИТ. Его можно применить для изготовления элементов спортивной одежды, шлемов, мотоциклов, самолетов, а также арктических трубопроводов, которые иногда, сталкиваясь с айсбергами, дают утечку нефти. «Это первый шаг к созданию синтетического прототипа защитных систем», говорит Кристина Ортиз.
