Ученые разобрались в стадиях разрушения наноструктур зубной эмали
Группа ученых из Китая и США подробно исследовала разрушение зубной эмали при сильном давлении на масштабах порядка нанометра и выделила три стадии разрушения эмали. Статья опубликована в Journal of the Royal Society Interface.
У большинства млекопитающих зубы не меняются естественным путем при повреждении (в отличие от акул, например), поэтому их зубная эмаль должна быть достаточно крепкой, чтобы выдерживать большие давления, постоянно повторяющиеся в течение миллионов циклов пережевывания и разгрызания твердой пищи. Из-за этого структура и свойства эмали представляют большой интерес для стоматологии и трибологии.
Обычно зубная эмаль млекопитающих состоит из кристаллитов (зерен) гидроксиапатита, имеющих характерный размер порядка десятков нанометров. Эти зерна на масштабах микрометров связываются в структуры, напоминающие палочки или призмы, из которых уже складывается покрывающий зубную коронку слой толщиной порядка миллиметра. Большинство исследований, направленных на изучение свойств зубной эмали, фокусируются на миллиметровых или микрометровых масштабах. В этой работе ученые систематически исследовали поведение эмали на масштабах нанометров при нагрузках различной силы и направленности.
Для исследования ученые взяли неповрежденные, здоровые образцы коренных зубов, которые были извлечены в целях ортодонтии (для исправления зубочелюстных аномалий) у людей 20-30 лет и хранились в деионизованной воде. Затем они отполировали зубы так, чтобы оси палочек, сложенных из зерен гидроксиапатита, были перпендикулярны поверхности зуба. Все образцы были надежно закреплены в зубном протезе с помощью клея.
После этого исследователи царапали образцы, чтобы имитировать пережевывание пищи, и надавливали на них, чтобы имитировать разгрызание твердых предметов. Для пробных тестов они использовали кремниевый наконечник с радиусом около одного микрометра, для более подробного исследования — острый алмазный наконечник, с помощью которого можно было достичь больших давлений (до восьми гигапаскалей). За изменением структуры эмали ученые наблюдали с помощью сканирующего атомно-силового микроскопа.
Оказалось, что при одинаковых давлениях царапание причиняет зубной эмали больше ущерба, чем надавливание, но в целом происходящие в ней процессы совпадают. В зависимости от силы воздействия, ученые наблюдали три стадии разрушения эмали. При относительно небольших давлениях (до 0,4 гигапаскалей) из палочек, образованных кристаллитами гидроксиапатита, начинают выпадать отдельные зерна. Прикладывание большего давления приводит к пластической деформации, при которой палочки гнутся и отделяются друг от друга. Наконец, при еще более высоких уровнях давления химические связи не могут удержать палочки, и они разрушаются — наступает стадия фрагментации.
Ранее ученые предполагали, что при больших давлениях белковый клей, связывающий отдельные зерна гидроксиапатита, может разрушаться, из-за чего структура эмали будет меняться. В данной работе исследователи пронаблюдали это явление непосредственно.
В другой нашей заметке вы можете прочитать о том, как антропологи исследовали непонятные сколы на зубах Homo Naledi.
Дмитрий Трунин
Ее до сих пор не удавалось зарегистрировать из-за акустичности, электро-нейтральности и отсутствия взаимодействия со светом
Физики экспериментально обнаружили в рутенате стронция Sr2RuO4 особый вид плазмона — демон Пайнса. Существование этой частицы было предсказано 67 лет назад, но из-за акустичности, электро-нейтральности и из-за отсутствия взаимодействия со светом ее до сих пор не удавалось зарегистрировать. Чтобы обнаружить демона, ученые применили метод спектроскопии характеристических потерь энергии электронов с разрешением по импульсу. Статья опубликована в журнале Nature. В 1952 году американские физики Дэвид Пайнс и Дэвид Бом описали коллективное поведение электронного газа в плазме, которое можно представить в виде квазичастицы, которую назвали плазмоном. Некоторые виды плазмонов уже научились регистрировать. В 1956 году Пайнс предположил, что в металлах могут существовать особые плазмоны, которые возникают при колебании электронов из разных зон в противофазе, что приводит к модуляции заселенности этих зон. Такие плазмоны назвали демонами: они не обладают ни массой, ни электрическим зарядом, да и со светом не взаимодействуют, — поэтому их крайне сложно зарегистрировать обычными методами. Группа физиков под руководством Петра Аббамонте (Peter Abbamonte), профессора Университета Иллинойса, изучала рутенат стронция Sr2RuO4. Этот металл обладает тремя вложенными зонами, пересекающими энергию Ферми, и поэтому может быть кандидатом на появление в нем демона. Ученые использовали метод электронной спектроскопии потерь энергии электронов с высоким разрешением по импульсу в режиме отражения. Этот метод позволяет измерять как поверхностные, так и объемные возбуждения в металле при ненулевой передаче импульса q, где сигнатура демона ожидалась наиболее четкой. Спектры потерь энергии электронов при большой передаче энергии и больших переданных импульсах — более 0,28 единиц обратной решетки — демонстрируют бесхарактерный энергонезависимый континуум. При малых переданных импульсах — q менее 0,16 единиц обратной решетки — ученые обнаружили широкую плазмонную особенность с максимумом в районе 1,2 электронвольта. Ученые обнаружили, что в низкоэнергетическом режиме, при q менее 0,08 единицы обратной решетки, метод выявляет акустическую моду. Дисперсия моды оказалась линейной в большом диапазоне импульсов, с групповой скоростью примерно в 100 раз больше скорости акустических фононов, которые распространяются со скоростью звука, но на три порядка меньше, чем для поверхностного плазмона, распространяющегося со скоростью, близкой к скорости света. Однако скорость моды находится в пределах 10 процентов от предсказанной расчетами скорости для демона. Как отмечают ученые, это возбуждение явно электронное и это как раз и есть демон, предсказанный Пайнсом 67 лет назад. Наблюдение демона стало возможным, благодаря высокому разрешению в миллиэлектронвольт в используемом методе. Однако для дальнейшего изучения демонов ученые предлагают повысить точность, используя высокоэнергетические электроны в сканирующем просвечивающем электронном микроскопе с высоким разрешением, работающем в расфокусированной конфигурации. Физики отмечают, что требуется новая теория демонов, которая точнее опишет полученные экспериментальные данные. Эти квазичастицы могут быть ответственны за возникновение сверхпроводимости и играть важную роль в низкоэнергетической физике многих многозонных металлах. Изучение демонов и других видов плазмонов важно для описания коллективного поведения электронов в разных веществах. Например, недавно мы писали как физикам удалось увидеть часть плазмонной матрицы плотности.