«Биологический вид, выживший в таких экстремальных условиях, — это большое дело», — сказал Викас Томар, доцент Школы аэронавтики и астронавтики Университета Пердью. «Креветки — отличное испытание для эволюции, потому что вы можете найти разные виды по всему миру, живущие на разных глубинах и с различными требованиями к адаптации».Он и докторанты Тао Цюй, Девендра Верма, Ян Чжан и Чандра Пракаш сравнили экзоскелеты глубоководной креветки Rimicaris exoculata и мелководной креветки Pandalus platyceros.
Глубоководный вид обитает на 2000 метров ниже поверхности океана в вулканических гидротермальных жерлах, где температура может превышать 400 градусов по Цельсию, в то время как другие виды живут чуть ниже поверхности океана.«Мы хотим понять, как эволюция влияет на материальное поведение экзоскелетов этих двух видов креветок, которые процветают в совершенно разных условиях», — сказал Томар.Понимание сложного молекулярного поведения материалов может иметь значение для разработки новой синтетической брони, способной противостоять экстремальным условиям окружающей среды.
Новые результаты были подробно описаны в исследовательской статье, опубликованной в Интернете 2 июля, и будут опубликованы в следующем печатном выпуске журнала Acta Biomaterialia. Две другие недавние статьи тех же исследователей были посвящены лабораторным экспериментам с экзоскелетами креветок.Исследователи исследовали границу раздела между двумя ключевыми компонентами экзоскелетов: белком хитином и костным минералом кальцитом.
То, как эти два типа материалов — органический и неорганический — ведут себя на границе раздела фаз, имеет решающее значение для определения того, как работает экзоскелет.Были изучены десять образцов экзоскелета, а экспериментальный анализ был проведен с использованием лабораторных методов, включая сканирующую электронную микроскопию и электронографическую спектроскопию, что позволило выявить детали структуры и химического состава.Экзоскелеты обоих видов креветок обладают одинаковой микроструктурой: хитин, кальцит и другие компоненты расположены в слоистой геликоидальной структуре, напоминающей спиральную лестницу.
Однако сравнение двух видов показало различия в плотности структур, толщине слоев и содержании минералов. Экзоскелет глубоководной креветки оказался более плотно упакованным.
К своему удивлению, исследователи обнаружили, что экзоскелет поверхностной креветки примерно в 10 раз прочнее экзоскелета глубоководной креветки.«С механической точки зрения можно ожидать, что при уплотнении он становится прочнее, но на самом деле он становится слабее после уплотнения», — сказал Томар.Последнее исследование посвящено изучению того, что происходит на границе между хитином и кальцитом и как эти механизмы влияют на работу экзоскелета.
Этот интерфейс помогает определить, как конструкции передают напряжение.Результаты показали, что глубоководный экзоскелет мягче, но способен выдерживать экстремальные температуры и давление. Экзоскелет поверхностных креветок сложнее и лучше защищает от хищников.«Несмотря на то, что они имеют одинаковую базовую микроструктуру, это совершенно разные материалы», — сказал Томар.
Информация о вязкости поверхности раздела, полученная с помощью молекулярного моделирования взаимодействующих материалов, позволяет более точно моделировать, как полимер-керамические композиты деформируются из-за деформации. Исследователи разработали «вязкопластический закон» или математические уравнения для такого интерфейса.
Обычные модели полимерно-керамических композитов не оправдывают ожиданий, потому что они определяют максимальную прочность, тогда как материалы с большей вероятностью разрушатся из-за высокой деформации или растяжения.«Есть теории неудач, которые мы используем, но они предсказывают неудачи с точки зрения силы», — сказал Томар. «В случае с этими материалами наиболее важна деформация, поэтому вы не можете превысить определенный уровень деформации без разрушения».
Открытия проливают свет на то, как вода играет жизненно важную роль в укреплении молекулярной структуры экзоскелетов. Исследователи также создали «базу данных интерфейсов» для моделирования того, как конкретный композитный материал будет работать с учетом его состава, микроструктуры и типа интерфейса.
Также автором статьи Acta Biomaterialia был студент бакалавриата Милад Алюкозай, который был выбран одним из 12 студентов США, получивших престижную национальную стипендию Митчелла для обучения в аспирантуре в Ирландии. Он первый получатель стипендии Митчелла Purdue.В рамках связанных исследований команда работает с сотрудниками Венского технологического университета над изучением взаимодействия между коллагеном и человеческой костью и того, как кость деформируется с течением времени. Исследование было подробно описано в апреле в бюллетене Общества исследования материалов.
Полученные данные могут помочь лучше смоделировать поведение медицинских имплантатов.