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龙虾的下腹部与工业橡胶一样坚韧

文章作者:优博时时彩平台开户发布时间:2019-09-14浏览次数:1787

在后面转动一只龙虾,你会发现尾巴的下侧被一层半透明的薄膜隔开,这片薄膜与保护其余甲壳类动物的装甲壳相比非常脆弱。

但麻省理工学院和其他地方的工程师发现,软膜非常坚韧,具有微观,分层,胶合板状结构,使其非常耐刮擦和切割。当动物扫过岩石海底时,这部看似坚韧的电影可以保护龙虾的腹部。

该膜在一定程度上也具有弹性,这使得龙虾能够前后鞭打它的尾巴并使捕食者难以咀嚼尾巴或将其拉开。

这种灵活性可能来自膜是由90%水组成的天然水凝胶的事实。几丁质是一种纤维材料,存在于许多壳和外骨骼中,其中大部分由甲壳质组成。

该团队的研究表明,龙虾膜是所有天然水凝胶中最坚韧的,包括胶原蛋白,动物皮和天然橡胶。该薄膜与工业橡胶复合材料一样坚固,例如用于制造汽车轮胎,花园软管和传送带的复合材料。

龙虾的坚韧和柔韧的薄膜可以用作更灵活的防弹衣的设计指南,特别是对于身体的高活动区域,如肘部和膝盖。

“我们认为这项工作可以激发灵活的装甲设计,”麻省理工学院机械工程系d'Arbeloff职业发展助理教授郭明说。 “如果你可以使用这些类型的材料制作盔甲,你就可以自由移动你的关节,它会让你感觉更舒服。”

小组结果的全文于2月14日在《物质学报》上发表。(该杂志于1月31日发表了一份未经证实的证据。)郭是四川大学吴金荣、张浩、哈佛大学梁梁亮、邓飞和麻省理工学院的研究科学家赵勤的合著者。土木与环境工程及论文的另一位资深作者。

柔性保护

与实验室的来访者共进晚餐后,郭开始研究龙虾膜的特性。

“他以前从未吃过龙虾,想尝尝,”郭回忆道。虽然肉很好,但他意识到腹部的透明膜很难咀嚼。我们想知道原因。

尽管许多研究都集中在龙虾独特的外壳上,郭教授发现,人们对甲壳类动物柔软的组织知之甚少。

郭说:“当龙虾游泳时,它们会伸展和移动关节,快速翻转尾巴以躲避捕食者。”它们不能完全被坚硬的外壳覆盖-它们需要这些更软的连接。但是以前没有人见过这种膜,这对我们来说是非常令人惊讶的。

于是他和他的同事们开始描述这些不寻常材料的特性。他们把每一个薄膜切成薄片,然后对每一个薄膜进行实验测试。他们在一个小烤箱里烘干一些切片,然后测量它们的重量。根据这些测量结果,他们估计90%的龙虾膜是由水组成的,使之成为水凝胶。

他们把其他的样品放在盐水中以模仿自然的海洋环境。对于其中一些样品,他们进行了机械测试,将每一层薄膜放在一台拉伸样品的机器中,同时精确测量施加的力。他们观察到,薄膜最初是柔软的,容易拉伸,直到达到初始长度的两倍左右,这时材料开始变硬,逐渐变得更硬,更耐拉伸。

“这对于生物材料来说是非常独特的,”郭说。“对于许多其他坚硬的水凝胶来说,拉伸得越多,它们就越柔软。该菌株的僵硬行为可以使龙虾灵活地移动,但当发生不好的事情时,它们会变硬并保护自己。“

龙虾用天然胶合板

当龙虾通过海底时,它可以刮去擦洗和沙子。研究人员想知道龙虾膜对于这种小的刮痕和切口有多大的弹性。他们用一把小手术刀刮伤胶片样本,然后用与原样相同的方法拉伸。

“例如,我们做了一些划痕来模仿它们穿过沙子时会发生什么,”郭解释说。“我们甚至把胶片的厚度减半,发现它仍然可以延伸到相同的距离。如果你用一种橡胶化合物来做这个,它们就会断裂。

然后,研究人员用电子显微镜放大了薄膜的微观结构。他们观察到的结构与胶合板非常相似。每一层厚度约为四分之一毫米的薄膜都由数万层组成。单层含有大量的几丁质纤维,与稻草丝相似,都以相同的角度定向,与上层纤维层精确偏移36度。同样,胶合板通常由三层或三层以上的薄木材制成,每层木材的颗粒与上面和下面的层成直角。

“当你一层一层地旋转纤维的角度时,你在各个方向上都有很好的力量,”郭说。“人们一直把这种结构用在干燥的材料中以容忍缺陷。但这是第一次在天然水凝胶中发现。

在秦的领导下,研究小组还模拟了龙虾膜对简单切割的反应,而不是完全随机的方向,如果甲壳素纤维像胶合板一样排列。为此,他们首先模拟了一个单一的几丁质纤维,并给它一些机械性能,如强度和刚度。然后,他们复制了数以百万计的这些纤维,并将它们组装成一种由完全随机纤维或精确定向的纤维层组成的膜结构,类似于实际的龙虾膜。

秦说:“有一个平台可以让我们直接测试和证明几丁质纤维在被构造成各种结构后产生了非常不同的机械性能,这太神奇了。”

最后,研究人员通过一个随机分层的膜创造了一个小缺口,并设定了拉伸每个膜的力。模拟显示了每个薄膜的应力。

“在随机电影中,压力是相等的,当你拉伸它时,它很快就会断裂,”郭说。“我们发现分层结构拉伸得更多而没有断裂。”。

“一个谜是如何将几丁质纤维组装成这样一种独特的层状结构,从而形成一层龙虾膜,”秦说。“我们正在努力理解这一机制,并相信这一知识可用于开发管理材料中微观结构合成的创新方法。”

除了柔韧的防弹衣外,郭说,设计用来模拟龙虾膜的材料还可以用于软机器人和组织工程。如果说有什么不同的话,这个结果为我们提供了一个新的视角来看待自然界中最有弹性的生物之一的生存。

郭说:“我们认为,这种膜结构可能是龙虾在地球上存活超过1亿年的一个重要原因。”出于某种原因,这种断裂耐受性确实帮助了它们的进化。

该研究得到了国家自然科学基金和高分子材料工程国家重点实验室的部分支持。

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