Физики подсмотрели сверхпрочный материал будущего в строении морских звезд

Команда материаловедов из Вирджинского технологического института совместно с коллегами из MIT и других научных центров США и Германии изучала тропическую морскую звезду Protoreaster nodosus. Изначально ученые пытались понять, как природе удается создавать пористые скелетные структуры, которые остаются исключительно прочными и легкими. Однако в процессе работы авторы наткнулись на встроенные в минерал микроскопические линзы. Обнаруженный феномен подробно описан в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.

При проектировании защитных материалов инженеры обычно стремятся к трем главным качествам: прочности, жесткости и долговечности. Способность воспринимать сигналы окружающего мира редко входит в этот список, но исследование скелета морских звезд заставило ученых пересмотреть привычный подход.

Все иглокожие, включая морских звезд, строят свои скелеты из карбоната кальция (мела). Для инженеров этот минерал хорошо знаком: он дешев и легок, но при этом крайне хрупок. По законам механики, сверление отверстий в хрупком материале делает его еще слабее. Однако морские звезды обходят это правило: их панцири пронизаны множеством пор, но сохраняют поразительную стойкость к нагрузкам в суровых условиях океана.

Изучая кончики лучей морской звезды, ученые заметили десятки гладких линзообразных бугорков, уходящих глубоко вглубь скелета в виде крошечных минеральных конусов. Оптические тесты показали, что эти структуры улавливают поступающий свет и направляют его во внутреннюю полость скелета. Одиночный конус способен сфокусировать около 70% падающего на него света, а работая в группах, они собирают лучи под широким углом, многократно усиливая сигнал. Это позволяет животному вовремя замечать хищников, искать укрытия и ориентироваться на местности.

В инженерном деле добавление датчиков в защитную конструкцию всегда требует компромиссов: обычно это оборачивается лишним весом, потерей прочности или сокращением срока службы детали. Морская звезда полностью лишена этих недостатков. Вместо того чтобы прикреплять сенсоры поверх брони, эволюция встроила оптические функции непосредственно в несущую архитектуру скелета.

Компьютерное моделирование показало, что световодные конусы не просто не ослабляют конструкцию, а наоборот — увеличивают жесткость окружающего их минерала. Кроме того, на микроскопическом уровне переходы между порами скелета выполнены идеально плавно. Это распределяет механическое напряжение равномерно по всей структуре и буквально «запирает» трещины, не позволяя мелким повреждениям распространяться дальше.

Открытие принципов строения скелета морских звезд открывает новые горизонты для создания «умных» материалов. Современные композитные пены и защитные панели выполняют лишь одну задачу — амортизируют удары.

В будущем, вдохновленные природой технологии позволят создавать легкие ударопрочные панели для космических аппаратов, авиации и транспорта, которые смогут одновременно защищать груз, оценивать условия окружающей среды и самостоятельно диагностировать внутренние повреждения.

Природа создает сложнейшие структуры при обычных температурах и давлении, затрачивая немного энергии, чем современные заводы. Разгадка этих механизмов позволит человечеству производить продвинутые материалы экологически чистым и эффективным способом.

Биологи раскрыли секрет неувядающей плодовитости морских звезд

Морские звезды прекрасно учатся, даже не имея мозга

У морской звезды, наконец, нашли голову

Подписывайтесь и читайте «Науку» в MAX