Физики заметили сверхпрочный материал будущего в структуре морских звезд

Команда материаловедов из Технологического института Вирджинии вместе с коллегами из Массачусетского технологического института и других исследовательских центров США и Германии изучала тропическую морскую звезду Protoreaster nodosus. Изначально ученые пытались понять, как природе удается создавать пористые скелетные структуры, которые остаются исключительно прочными и легкими. Однако в процессе работы авторы наткнулись на микроскопические линзы, встроенные в минерал. Обнаруженный феномен подробно описан в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.

При проектировании защитных материалов инженеры обычно обращают внимание на три основных качества: прочность, жесткость и долговечность. Способность воспринимать сигналы внешнего мира редко попадает в этот список, но исследования скелета морской звезды заставили ученых пересмотреть свой привычный подход.

Натуральная оптика из хрупкого мела

Все иглокожие, включая морские звезды, строят свой скелет из карбоната кальция (мела). Инженеры знакомы с этим минералом: он дешев и легок, но в то же время чрезвычайно хрупок. По законам механики сверление отверстий в хрупком материале делает его еще более слабым. Однако морские звезды обходят это правило: их панцири пронизаны множеством пор, но при этом остаются удивительно устойчивыми к нагрузкам в суровых условиях океана.

Изучая кончики лучей морской звезды, ученые заметили десятки гладких линзовидных бугорков, уходящих глубоко в скелет в виде крошечных минеральных конусов. Оптические испытания показали, что эти структуры улавливают поступающий свет и направляют его во внутреннюю полость скелета. Одиночный конус способен фокусировать около 70% падающего на него света, а работая группами, они собирают лучи под широким углом, многократно усиливая сигнал. Это позволяет животному вовремя заметить хищников, искать укрытие и ориентироваться на местности.

Единство формы и функции

В инженерном деле добавление датчиков в защитную конструкцию всегда требует компромиссов, что обычно приводит к увеличению веса, потере прочности или сокращению срока службы деталей. Морская звезда полностью лишена этих недостатков. Вместо того, чтобы прикреплять датчики поверх брони, эволюция встроила оптические функции непосредственно в поддерживающую архитектуру скелета.

Компьютерное моделирование показало, что конусы световодов не только не ослабляют структуру, но, наоборот, повышают жесткость окружающего минерала. Кроме того, на микроскопическом уровне переходы между порами скелета идеально плавные. Это равномерно распределяет механическое напряжение по всей конструкции и буквально «запирает» трещины, не давая мелким повреждениям распространяться дальше.

От морских глубин до космических панелей

Открытие принципов строения скелета морских звезд открывает новые горизонты для создания «умных» материалов. Современные композитные пенопласты и защитные панели выполняют только одну задачу – поглощение ударов.

В будущем природные технологии позволят создать легкие, ударопрочные панели для космических кораблей, авиации и транспорта, которые смогут одновременно защищать груз, оценивать условия окружающей среды и самостоятельно диагностировать внутренние повреждения.

Природа создает очень сложные структуры при обычных температурах и давлениях, используя меньше энергии, чем современные фабрики. Раскрытие этих механизмов позволит человечеству производить передовые материалы экологически чистым и эффективным способом.