Перламутр уже более 80 лет занимает умы ученых своим идеальным сочетанием твердости и эластичности. Если бы люди могли искусственно воссоздать его свойства, это привело бы к новому поколению сверхпрочных синтетических материалов для различных конструкций, хирургических имплантатов и бесчисленного множества других применений.
«Мы, люди, научились изготавливать более жесткие материалы с использованием, например, экстремальных температур и давления. Но мы не можем воспроизвести тот вид наноинженерии, которого достигли моллюски. Объединение наших знаний и природной мудрости должно привести к новому впечатляющему поколению материалов», – рассказывает Роберт Ховден, доцент кафедры материаловедения и инженерии.
Ученые давно уже знают основной секрета перламутра – он сделан из микроскопических минеральных «кирпичей» из арагонита, скрепленных «раствором» из органического материала. Такое строение явно делает материал прочнее. Однако перламутр еще жестче, чем ему положено быть по структуре.
Для своего исследования американские ученые использовали крошечные пьезоэлектрические инденторы (элемент прибора для измерения твердости, вдавливаемый в испытываемый материал). Ими они воздействовали на раковину моллюска под названием «благородная пинна» (Pinna nobilis). Эксперимент проходил под электронным микроскопом, так что ученые могли в реальном времени смотреть, что происходит с перламутром.
Исследователи увидели, что «кирпичи» на самом деле являются многогранными «плитами» размером всего в несколько сотен нанометров. Обычно они расположены отдельно, «уложены» слоями и смягчены тонким слоем органического «раствора». Но когда на раковину оказывается давление, «раствор» расплющивается по сторонам, а «плиты» слипаются, образуя по существу твердую поверхность. Когда же ученые убирали инденторы, конструкция отскакивала обратно, не теряя ни прочности, ни упругости.
Такая устойчивость к внешним воздействиям отличает перламутр даже от самых современных материалов, разработанных человеком. Например, пластмассы могут восстанавливаться после удара, но каждый раз они теряют часть своей прочности. Перламутр же не потерял своей устойчивости при повторных ударах до 80 % от его предела текучести (механическая характеристика материала, характеризующая напряжение, при котором деформации продолжают расти без увеличения нагрузки).
«Невероятно, что моллюск, не являясь самым умным существом в природе, изготавливает такой материал в огромных масштабах», – замечает Ховден. По его словам, знание особенностей перламутра позволит людям создавать нанотехнические композитные материалы, которые будут значительно легче и прочнее, чем доступные сегодня. «Мы никогда не сможем добиться такого же результата, как природа, с помощью компьютерных симуляций. Это то, что вокруг нас, и мы просто должны обнаружить это», – добавляет ученый.
Также можно посмотреть видео об исследовании с интервью с Робертом Ховденом:
