Спиральная структура клеток защитила скорлупу гинкго от трещин

Скорлупа семян гинкго лучше всех природных материалов сопротивляется появлению трещин. Китайские ученые выяснили, что эту сопротивляемость скорлупе обеспечивает спиралевидная микроструктура стенок склереид, мертвых клеток, из которых построена скорлупа. Такое строение позволяет эффективно перераспределяет механическое напряжение между соседними склереидами. Результаты исследования опубликованы в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.

Образование и развитие трещины в материале зависит от многих параметров, в том числе от микроструктуры материала. Например, если в нем есть вторая более мягкая и вязкая фаза (матрица), это тормозит рост трещин, снижая механическое напряжение. А вот в мелкозернистых материалах без матрицы трещина наоборот может дробиться и развиваться, наталкиваясь на каждое новое зерно.

Чтобы выяснить, как повысить устойчивость к трещинам, ученые изучают природные материалы. Например, древесина хорошо сопротивляется трещинам, если напряжение приложено перпендикулярно волокнам (топор рубит стоящее дерево). Однако, если напряжение приложено параллельно волокнам, все ровно наоборот — трещина распространяется быстро, и ее ничто не тормозит.

Китайские материаловеды под руководством Цюня Фэна Чэна (Qunfeng Cheng) из Бэйханского Университета заинтересовались еще одним природным материалом — скорлупой семян гинкго. У нее один из самых высоких среди природных материалов коэффициент вязкости разрушения — этот параметр описывает, какое механическое напряжение в материале надо создать, чтобы рост трещины стал быстрым и неограниченным. При этом анизотропии, как в случае древесины, не наблюдается, то есть скорлупа гинкго сопротивляется трещинам одинаково по всем направлениям.

Гинкго двулопастный (Ginkgo bilоba) — последний представитель рода Гинкго, листопадных голосеменных реликтовых растений. Семена вырастают до 1-2 сантиметров, формой напоминают косточку абрикоса. Скорлупа семян имеет толщину порядка миллиметра и состоит из многоугольных склереид (мертвых клеток), прочно скрепленных друг с другом. Они расположены слоями, относительно хаотично, каждая склереида соприкасается примерно с пятью-шестью соседними. Стенки склереид построены из целлюлозных волокон толщиной 5-7 нанометров, которые находятся в матрице более мягкого лигнина и гемицеллюлозы.

Чэн и его коллеги изучили скорлупу гинкго методом рентгеновской микротомографии с синхротронным источником и выяснили, что форма склереид существенно меняется при движении от внутренней поверхности скорлупы к внешней.

Можно выделить три области: во внутренней части (36 процентов толщины) склереиды имеют соотношение длина-ширина около 5,3, в средней (55 процентов толщины) это соотношение равно 3,2, а во внешней (9 процентов толщины) склереиды расположены не так плотно, и сам материал скорлупы более пористый. Авторы предположили, что внешняя пористая часть почти не вносит своего вклада в прочность и сопротивление трещинам, и сосредоточились на внутренней и средней областях.

Более подробный анализ стенок склереид показал, что волокна целлюлозы в них расположены по спирали. При этом соседние склереиды оказываются тесно связаны, так как, утолщаясь, стенки закручиваются друг вокруг друга. Между соседним склереидами формируются спиралевидные каналы. Пока семя растет и его скорлупа становится толще, эти каналы используются для транспорта воды и питательных веществ.

Чэн и его коллеги предположили, что каналы такой формы развились у гинкго в том числе для повышения прочности и сопротивляемости трещинам. Склереиды, попавшие «под удар» частично проворачиваются и через каналы передают часть напряжения соседним. Они тоже частично проворачиваются и, в свою очередь, делятся напряжением со своими соседями. Передача может происходить по всем трем направлениям, как в рамках одного слоя, так и вглубь слоев к более толстым склереидам. В результате напряжение гасится и распространение трещины замедляется.

Чэн и его коллеги надеются, что описанный механизм блокирования трещин можно будет воспроизвести и в искусственных материалах.

Делать рукотворные материалы похожими на природные умеют многие ученые. Например, на прошлой неделе мы писали, как канадские материаловеды вдохновились текстурой перьев пингвина и создали водоотталкивающее антиобледенительное покрытие из стальной сетки. А два года назад китайская группа разработала композитный материал из целлюлозы и слюды, который по своей структуре напоминает слоистый перламутр. Композит оказался устойчив к механическим нагрузкам и нагреванию, но в тоже время пластичен.