Зубы морского ежа заточились об алмазную пластинку сами

Материаловеды изучили устройство зубов морских ежей и выяснили, что зубы способны затачиваться сами в процессе эксплуатации. Авторы работы, опубликованной в журнале Matter, считают, что результаты экспериментов помогут создать самозатачивающиеся инструменты.

Морские ежи обитают на дне и питаются любой органикой, которую найдут. Зубов у этих животных пять, причем каждый на отдельной челюсти, и вся эта конструкция называется «аристотелев фонарь».

Морские ежи не только измельчают с помощью фонаря пищу или соскребают ее с камней, но и используют его для передвижения и рытья нор.

Орасио Эспиноса (Horacio Espinosa) из Северо-Западного университета (США) провели «испытания» зубов, чтобы узнать, как они сохраняют прочность и остроту. Авторы поймали 15 морских ежей Strongylocentrotus fragilis, извлекли и обработали зубы, подготовив их для опытов. Затем структуру зуба изучили с помощью сканирующего электронного микроскопа. Оказалось, что сердцевина зуба состоит из волокон кальцита, сориентированных вдоль, а поверх этих волокон находятся многочисленные пластинки из того же материала.

Чтобы испытать зубы на прочность, исследователи провели тест, который должен был сымитировать процесс, обычный для зубов морского ежа — соскабливание. Зубы с разной силой, от 1 до 5 ньютонов, скребли по алмазной пластинке, при этом процесс записывался на видео с помощью микроскопа.

Испытания проходили по двум схемам — в первой зуб скреб по пластине с одинаковой силой, а во второй сила давления плавно нарастала в процессе. В первом опыте зуб просто тупился об алмаз. А вот во втором, когда давление нарастало, от зуба начали откалываться пластинки, которые его покрывали, кусочками размером до 100 микрометров. Ученые предположили, что зуб таким образом самозатачивается — пластинки отслаиваются, и кромка остается всегда острой.

После этого они создали компьютерную трехмерную модель зуба, используя знания о его структуре и прочности, и повторили эксперимент, но уже в виде симуляции. В процессе скобления по пластине кромка зуба постепенно стачивалась и делалась плоской, затем, при нарастании силы нажима пластинка отслаивалась от основы из волокон, а затем откалывалась, оставляя обновленную кромку.

Авторы надеются, что их работа вдохновляет на создание новых материалов и инструментов для резки, шлифовки, горных работ и рытья тоннелей.

Морские ежи действительно вдохновляют инженеров на создание новых материалов, например, бетона, более гибкого, чем обычный. Мы писали о том, как в разработке этого бетона ученые использовали знания о структуре игл морских ежей.

Максим Абдулаев