У муравьев есть зубы. Вот как они сохраняют их острыми.
Зуб муравья - мощный инструмент. Даже несмотря на то, что муравьиные клещи меньше, чем ширина человеческого волоса, они способны на некоторые невероятные подвиги стрижки. Теперь ученые нашли причину: тонкий слой атомов тяжелых металлов.
Применив методы и технологии материаловедения к области биологии, исследователи смогли буквально разобрать зуб муравья. При этом они обнаружили атомы цинка, которые затвердевают и затачивают зуб, как алмазная пыль на лезвии. Исследователи опубликовали свою работу в журнале Scientific Reports.
“Когда мы раскроем эти наноразмерные структуры, я почти уверен, что мы раскроем вещи, которых раньше не знали о мире природы”, - говорит Арун Деварадж, ученый-материаловед из Тихоокеанской Северо-Западной национальной лаборатории (PNNL) в Ричленде, штат Вашингтон, и один из авторов статьи.
Работа Девараджа сосредоточена конкретно на металлах. Искусственное разнообразие, с которым люди могут работать и настраивать себя, спроектировано на самом краю их жизни. Но Деварадж давно интересовался их естественными, биологическими аналогами: материалами, которые развили впечатляющие свойства в течение медленных эпох эволюции.
“Мне было интересно выяснить, как природа как бы проектирует эти вещи”, - говорит Деварадж.
Именно поэтому, по его словам, он начал сотрудничать с Робертом Скофилдом, биофизиком из Университета штата Орегон и ведущим автором статьи. Шофилд долгое время изучал “инструменты” беспозвоночных, такие как зубы муравья, например, а также такие вещи, как клыки паука, когти скорпиона и челюсти червя. Измерив свойства этих инструментов, Шофилд хорошо знал, что они обладают гораздо большей прочностью, чем можно предположить по их крошечным размерам. Он хотел узнать больше о том, почему.
По крайней мере с 1980-х годов ученым известно, что такие инструменты содержат два вида материалов. Первый состоит из таких элементов, как кальций и железо, которые вы можете найти в своих зубах или костях. Но второй вид содержит более удивительные элементы, такие как цинк и марганец. Роль, которую играют эти тяжелые металлы, не так хорошо изучена, хотя они так же распространены.
Возьмите зуб муравья, сужающийся к кончику размером меньше пылинки. Кое-что еще не было изучено, так это расположение атомов на кончике. Вот тут-то и проявился опыт Девараджа. “В материаловедении для нас довольно привычно смотреть на то, как атомная структура определяет свойства”, - говорит он.
Поэтому группа Скофилда извлекла зубы из колонии муравьев в Университете штата Орегон и отправила их на шесть часов в PNNL. Там Деварадж и его коллеги, в том числе докторант Сяоюэ Ван, извлекли еще более крошечный образец, всего в несколько атомов в поперечнике.
С помощью этого образца Деварадж и его коллега применили метод, называемый атомной зондовой томографией. Они поместили образец в вакуумную камеру, а затем буквально начали испарять образец, по одному атому за раз. Наблюдая за тем, как атомы отлетают, они могли определить, что это были за атомы и откуда они взялись в образце.
Это метод, изначально предназначенный для анализа материалов, созданных человеком. Но, используя его на зубе этого муравья, исследователи смогли определить, какие атомы находятся на кончике зуба.
Они обнаружили атомы цинка, равномерно распределенные по зубу, служащие для упрочнения поверхности зуба и заострения его острия. Атомы цинка позволяют муравью, когда он кусается, наносить своей добыче гораздо больший ущерб, чем кажется на первый взгляд, требуя при этом меньше усилий и не притупляя свой инструмент.
“Инженеры также могли бы извлечь уроки из этого биологического трюка", - сказал Шофилд в своем заявлении. “Твердость муравьиных зубов, например, увеличивается примерно с твердости пластика до твердости алюминия при добавлении цинка. Хотя существуют гораздо более твердые инженерные материалы, они часто более хрупкие”.
По мере того, как мы узнаем больше о том, как подобные материалы работают у беспозвоночных, таких как муравьи, мы сможем узнать, как создавать лучшие материалы в реальной жизни.
Применив методы и технологии материаловедения к области биологии, исследователи смогли буквально разобрать зуб муравья. При этом они обнаружили атомы цинка, которые затвердевают и затачивают зуб, как алмазная пыль на лезвии. Исследователи опубликовали свою работу в журнале Scientific Reports.
“Когда мы раскроем эти наноразмерные структуры, я почти уверен, что мы раскроем вещи, которых раньше не знали о мире природы”, - говорит Арун Деварадж, ученый-материаловед из Тихоокеанской Северо-Западной национальной лаборатории (PNNL) в Ричленде, штат Вашингтон, и один из авторов статьи.
Работа Девараджа сосредоточена конкретно на металлах. Искусственное разнообразие, с которым люди могут работать и настраивать себя, спроектировано на самом краю их жизни. Но Деварадж давно интересовался их естественными, биологическими аналогами: материалами, которые развили впечатляющие свойства в течение медленных эпох эволюции.
“Мне было интересно выяснить, как природа как бы проектирует эти вещи”, - говорит Деварадж.
Именно поэтому, по его словам, он начал сотрудничать с Робертом Скофилдом, биофизиком из Университета штата Орегон и ведущим автором статьи. Шофилд долгое время изучал “инструменты” беспозвоночных, такие как зубы муравья, например, а также такие вещи, как клыки паука, когти скорпиона и челюсти червя. Измерив свойства этих инструментов, Шофилд хорошо знал, что они обладают гораздо большей прочностью, чем можно предположить по их крошечным размерам. Он хотел узнать больше о том, почему.
По крайней мере с 1980-х годов ученым известно, что такие инструменты содержат два вида материалов. Первый состоит из таких элементов, как кальций и железо, которые вы можете найти в своих зубах или костях. Но второй вид содержит более удивительные элементы, такие как цинк и марганец. Роль, которую играют эти тяжелые металлы, не так хорошо изучена, хотя они так же распространены.
Возьмите зуб муравья, сужающийся к кончику размером меньше пылинки. Кое-что еще не было изучено, так это расположение атомов на кончике. Вот тут-то и проявился опыт Девараджа. “В материаловедении для нас довольно привычно смотреть на то, как атомная структура определяет свойства”, - говорит он.
Поэтому группа Скофилда извлекла зубы из колонии муравьев в Университете штата Орегон и отправила их на шесть часов в PNNL. Там Деварадж и его коллеги, в том числе докторант Сяоюэ Ван, извлекли еще более крошечный образец, всего в несколько атомов в поперечнике.
С помощью этого образца Деварадж и его коллега применили метод, называемый атомной зондовой томографией. Они поместили образец в вакуумную камеру, а затем буквально начали испарять образец, по одному атому за раз. Наблюдая за тем, как атомы отлетают, они могли определить, что это были за атомы и откуда они взялись в образце.
Это метод, изначально предназначенный для анализа материалов, созданных человеком. Но, используя его на зубе этого муравья, исследователи смогли определить, какие атомы находятся на кончике зуба.
Они обнаружили атомы цинка, равномерно распределенные по зубу, служащие для упрочнения поверхности зуба и заострения его острия. Атомы цинка позволяют муравью, когда он кусается, наносить своей добыче гораздо больший ущерб, чем кажется на первый взгляд, требуя при этом меньше усилий и не притупляя свой инструмент.
“Инженеры также могли бы извлечь уроки из этого биологического трюка", - сказал Шофилд в своем заявлении. “Твердость муравьиных зубов, например, увеличивается примерно с твердости пластика до твердости алюминия при добавлении цинка. Хотя существуют гораздо более твердые инженерные материалы, они часто более хрупкие”.
По мере того, как мы узнаем больше о том, как подобные материалы работают у беспозвоночных, таких как муравьи, мы сможем узнать, как создавать лучшие материалы в реальной жизни.