Новое исследование впервые объясняет, почему тончайшие колючки крапивы или хоботок комара легко прокалывают кожу человека, не ломаясь. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature Physics.
Исследователи из Датского технического университета провели более 200 экспериментов, изучая конструкцию заостренных отростков, которые животные и растения используют для самых разных целей — прикрепления к поверхности, приема пищи или защиты. Они наблюдали, как влияет форма колючек, игл, шипов и жал на их прочность.
Ученые под руководством физика Кааре Хартвига Йенсена (Kaare Hartvig Jensen) посвятили свою научную деятельность биомиметике — созданию новых технологий и материалов на основе идей, заимствованных у живой природы.
Авторы неоднократно сталкивались с тем, что маленькие стеклянные пипетки, которые они использовали для извлечения жидкости из растительных клеток, разрушались при контакте с клеточной стенкой. Это раздражало исследователей и побудило их заняться тонкими и прочными природными объектами, которые не ломаются при использовании.
Они изучили иглы и остроконечные отростки из самых разных материалов и всех возможных размеров — от шипов вирусов и микроскопических водорослей размером всего 50 нанометров до самой длинной “иглы” в природе — 2,5-метрового бивня нарвала. Исследование также включало искусственные заостренные объекты, которые в значительной степени имитировали природные формы — гвозди, иглы для шприцев и древние копья длиной до шести метров. Ученые искали оптимальное соотношение прочности и эластичности.
“Наши результаты показали, что существует четкая корреляция между длиной иглы или шипа и ее диаметром, как вблизи кончика, так и в месте, где он прикрепляется к растению или животному, — приводятся в пресс-релизе университета слова Йенсена. — Таким образом обеспечиваются как необходимую прочность, так и эластичность наконечника. В то же время ясно, что острые орудия природы находятся на грани физической возможности и при этом все природные проекты очень похожи, независимо от того, смотрим ли мы на наноразмерные пики вируса или на 1,5-метровый шип рыбы-меч”.
Что касается крапивы, то ее длинные шипы по форме напоминают иголку инъекционного шприца. Сложенные стекловидным кремнием, они полые и усилены по краям. Это придает остроконечным волоскам необычайную прочность.
Большое количество наблюдений позволило исследователям найти варианты формы, обеспечивающей прочность и эластичность. По мнению авторов, результаты могут быть использованы при разработке новых точных инструментов и медицинского оборудования.
“Эти новые знания о том, как рассчитать оптимальный дизайн заостренного предмета, могут в будущем использоваться для проектирования, например, игл шприца для наилучшего распределения лекарств, или в разработке гвоздей, что позволит снизить расход материала без потери прочности”, — говорит Йенсен.
Сами исследователи уже применили полученные знания для создания стеклянных пипеток нового дизайна, которые не ломаются во время биологических экспериментов.
