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龍蝦的下腹部與工業橡膠一樣堅韌

文章作者:www.utbltn.icu發布時間:2019-09-14瀏覽次數:1787

在后面轉動一只龍蝦,你會發現尾巴的下側被一層半透明的薄膜隔開,這片薄膜與保護其余甲殼類動物的裝甲殼相比非常脆弱。

但麻省理工學院和其他地方的工程師發現,軟膜非常堅韌,具有微觀,分層,膠合板狀結構,使其非常耐刮擦和切割。當動物掃過巖石海底時,這部看似堅韌的電影可以保護龍蝦的腹部。

該膜在一定程度上也具有彈性,這使得龍蝦能夠前后鞭打它的尾巴并使捕食者難以咀嚼尾巴或將其拉開。

這種靈活性可能來自膜是由90%水組成的天然水凝膠的事實。幾丁質是一種纖維材料,存在于許多殼和外骨骼中,其中大部分由甲殼質組成。

該團隊的研究表明,龍蝦膜是所有天然水凝膠中最堅韌的,包括膠原蛋白,動物皮和天然橡膠。該薄膜與工業橡膠復合材料一樣堅固,例如用于制造汽車輪胎,花園軟管和傳送帶的復合材料。

龍蝦的堅韌和柔韌的薄膜可以用作更靈活的防彈衣的設計指南,特別是對于身體的高活動區域,如肘部和膝蓋。

“我們認為這項工作可以激發靈活的裝甲設計,”麻省理工學院機械工程系d'Arbeloff職業發展助理教授郭明說。 “如果你可以使用這些類型的材料制作盔甲,你就可以自由移動你的關節,它會讓你感覺更舒服。”

小組結果的全文于2月14日在《物質學報》上發表。(該雜志于1月31日發表了一份未經證實的證據。)郭是四川大學吳金榮、張浩、哈佛大學梁梁亮、鄧飛和麻省理工學院的研究科學家趙勤的合著者。土木與環境工程及論文的另一位資深作者。

柔性保護

與實驗室的來訪者共進晚餐后,郭開始研究龍蝦膜的特性。

“他以前從未吃過龍蝦,想嘗嘗,”郭回憶道。雖然肉很好,但他意識到腹部的透明膜很難咀嚼。我們想知道原因。

盡管許多研究都集中在龍蝦獨特的外殼上,郭教授發現,人們對甲殼類動物柔軟的組織知之甚少。

郭說:“當龍蝦游泳時,它們會伸展和移動關節,快速翻轉尾巴以躲避捕食者。”它們不能完全被堅硬的外殼覆蓋-它們需要這些更軟的連接。但是以前沒有人見過這種膜,這對我們來說是非常令人驚訝的。

于是他和他的同事們開始描述這些不尋常材料的特性。他們把每一個薄膜切成薄片,然后對每一個薄膜進行實驗測試。他們在一個小烤箱里烘干一些切片,然后測量它們的重量。根據這些測量結果,他們估計90%的龍蝦膜是由水組成的,使之成為水凝膠。

他們把其他的樣品放在鹽水中以模仿自然的海洋環境。對于其中一些樣品,他們進行了機械測試,將每一層薄膜放在一臺拉伸樣品的機器中,同時精確測量施加的力。他們觀察到,薄膜最初是柔軟的,容易拉伸,直到達到初始長度的兩倍左右,這時材料開始變硬,逐漸變得更硬,更耐拉伸。

“這對于生物材料來說是非常獨特的,”郭說。“對于許多其他堅硬的水凝膠來說,拉伸得越多,它們就越柔軟。該菌株的僵硬行為可以使龍蝦靈活地移動,但當發生不好的事情時,它們會變硬并保護自己。“

龍蝦用天然膠合板

當龍蝦通過海底時,它可以刮去擦洗和沙子。研究人員想知道龍蝦膜對于這種小的刮痕和切口有多大的彈性。他們用一把小手術刀刮傷膠片樣本,然后用與原樣相同的方法拉伸。

“例如,我們做了一些劃痕來模仿它們穿過沙子時會發生什么,”郭解釋說。“我們甚至把膠片的厚度減半,發現它仍然可以延伸到相同的距離。如果你用一種橡膠化合物來做這個,它們就會斷裂。

然后,研究人員用電子顯微鏡放大了薄膜的微觀結構。他們觀察到的結構與膠合板非常相似。每一層厚度約為四分之一毫米的薄膜都由數萬層組成。單層含有大量的幾丁質纖維,與稻草絲相似,都以相同的角度定向,與上層纖維層精確偏移36度。同樣,膠合板通常由三層或三層以上的薄木材制成,每層木材的顆粒與上面和下面的層成直角。

“當你一層一層地旋轉纖維的角度時,你在各個方向上都有很好的力量,”郭說。“人們一直把這種結構用在干燥的材料中以容忍缺陷。但這是第一次在天然水凝膠中發現。

在秦的領導下,研究小組還模擬了龍蝦膜對簡單切割的反應,而不是完全隨機的方向,如果甲殼素纖維像膠合板一樣排列。為此,他們首先模擬了一個單一的幾丁質纖維,并給它一些機械性能,如強度和剛度。然后,他們復制了數以百萬計的這些纖維,并將它們組裝成一種由完全隨機纖維或精確定向的纖維層組成的膜結構,類似于實際的龍蝦膜。

秦說:“有一個平臺可以讓我們直接測試和證明幾丁質纖維在被構造成各種結構后產生了非常不同的機械性能,這太神奇了。”

最后,研究人員通過一個隨機分層的膜創造了一個小缺口,并設定了拉伸每個膜的力。模擬顯示了每個薄膜的應力。

“在隨機電影中,壓力是相等的,當你拉伸它時,它很快就會斷裂,”郭說。“我們發現分層結構拉伸得更多而沒有斷裂。”。

“一個謎是如何將幾丁質纖維組裝成這樣一種獨特的層狀結構,從而形成一層龍蝦膜,”秦說。“我們正在努力理解這一機制,并相信這一知識可用于開發管理材料中微觀結構合成的創新方法。”

除了柔韌的防彈衣外,郭說,設計用來模擬龍蝦膜的材料還可以用于軟機器人和組織工程。如果說有什么不同的話,這個結果為我們提供了一個新的視角來看待自然界中最有彈性的生物之一的生存。

郭說:“我們認為,這種膜結構可能是龍蝦在地球上存活超過1億年的一個重要原因。”出于某種原因,這種斷裂耐受性確實幫助了它們的進化。

該研究得到了國家自然科學基金和高分子材料工程國家重點實驗室的部分支持。

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