Уникальная броня древних рыб вдохновила инженеров на создание новых материалов

Матч, достойный вечернего просмотра по кабельному ТВ: если поместить в аквариум голодную пиранью и 136-килограммовую рыбу – кто выйдет победителем?

Ответ удивил бы любого. Учитывая всем известную смертельную хватку пираньи, есть рыба, способная противостоять этой убийце – массивная арапаима из Бразилии. Секрет успеха арапаимы заключается в сложно устроенной чешуе, которая могла бы стать «биовдохновением» для инженеров, которые занимаются разработкой новых прочных и эластичных материалов.

Началом для подобного исследования стала экспедиция в бассейне Амазонки, которую несколько лет назад возглавил Марк Мейерс, инженер в школе разработки и проектирования Сан-Диего. Специалист в области механики и аэрокосмической инженерии очень заинтересовался чешуей арапаимы, похожей на непробиваемую броню. Как обычная рыба может выживать в заполненных пираньей озерах, где ни одно другое животные не задерживается надолго?

Мейерс и его коллеги провели лабораторный эксперимент: они имитировали схватку пираньи и арапаимы с помощью инструмента, который производит удар двумя мощными механическими пластинами. Зуб пираньи поместили в отверстие между пластинами, которые сдавливали чешую Арапаимы, закрепленную на мягкой резиновой поверхности (которая подражает основному мускулу рыбы). Ученые повторяли эксперимент несколько раз, меняя силу и локацию «удара». Зуб частично мог проникнуть через чешую, но он начинал крошиться прежде чем повреждал мягкое тело. Мейерс и его коллеги подробно описали свое исследования в журнале Advanced Biomaterials.

Чешуя арапаимы соединяет в себе насыщенный минералами внешний слой с таким внутренним устройством ткани, которое помогает чешуе сопротивляться смертоносным воздействиям, подобным укусам пираньи. Внешний слой состоит из коллагена, но укреплен кальцием, поэтому он очень прочный. Внутренний слой также состоит из коллагена, волокна которого располагаются слоями перпендикулярно друг другу, образуя гибкую упругую материю. Соединение материалов подобно твердой эмали зуба, депонированного на более мягкий дентин, сказал Мейерс: «Подобное явление часто встречается в природе – что-то жесткое на поверхности и что-то более мягкое с внутренней стороны, вместе обеспечивают прочность».

Крупный план двух чешуй арапаимы, наложенных так, как они существуют в естественной среде (фото ucsdnews.ucsd.edu)

Это соединение ученые хотели бы воспроизвести, например, для использования при изготовлении бронежилетов, которые должны быть прочными и эластичными, а также для панелей солнечных батарей, изоляционных элементов и аэрокосмических разработок.

Мейерс - эксперт в области биомиметики, он исследует организацию живых организмов для применения ее принципов в новейших технологиях. «Мы используем нашу изобретательность по максимуму, но единственный способ сделать что-то еще более выдающееся – посмотреть на природу, - предлагает Мейерс. - Материалы, которые есть в природе, не настолько прочны, как искусственные, но природа комбинирует их так, что невозможно придумать более совершенных структур и более прочных конструкций».

Чешуя арапаим имеет минерализованный внешний слой, а внутренний слой состоит из волокон коллагена, расположенных слоями, что обеспечивает максимальную прочность (фото ucsdnews.ucsd.edu)

Что дальше?

От раковины морского ушка до клюва тукана, говорит Мейерс, мир природы переполнен вдохновением для материаловедов XXI столетия. Один из его следующих проектов вовлекает чешую саргана, огромной рыбы с юга США, чешуя которого использовалась коренными американцами в качестве материала для наконечников стрел. Студенты в лаборатории Мейерса также работают над раковинами морского ушка и образцами панциря кожистой черепахи.

В некотором отношении биомиметика – это возвращение к корням производственного процесса, когда первобытные люди обрабатывали кожу, кости и дерево. «Мы производим материалы, намного более сложные по структуре и по способу их получения, но мы достигаем предела с разработкой синтетических материалов, - отметил он. - Теперь нам стоит оглянуться назад, на природные материалы, и попытаться понять, как природа их комбинирует».