变形灵活壳的神秘面板:哭泣层析成像“打开了门,揭示了秘密”

细鳞腕足动物

细鳞腕足动物的外壳坚硬而易碎,但在暴露于水时会变得柔软而有弹性。信贷:布鲁克海文国家实验室

保罗·舍勒研究所(Paul Scherrer Institute PSI)参与的一个国际研究小组揭示了一个关于海洋动物外壳的秘密:研究人员已经破译了为什么腕足动物的保护层Discinisca Tenuis.在水中变得极其柔软,在空气中又变得坚硬。本研究显示今天(9月10日)在期刊上自然通信

布拉菲od.Discinisca Tenuis.生活在非洲西海岸。它有一个富含矿物质的外壳,保护它免受有害的环境影响。将贝壳浸泡在水中会导致材料的结构变化:扁平、坚硬的贝壳变得非常灵活,甚至可以折叠而不断裂。借助瑞士光源sls.,研究人员准确地解释了这种转变是如何发生的。

几年前由Fabio Nudelman是由目前在苏格兰的爱丁堡大学化学学院的材料化学家Fabio Nudelman发现的现象。yabovip2021最近被任命为爱尔兰的蒙司技术大学总裁的Maggie Cusack,为纽伦德曼提供了Brachiopod的贝壳Discinisca Tenuis.,最初来自纳米比亚。当他想清洗坚硬的物体时,它在与水接触时突然变得柔软而有弹性。外壳吸收了液体,从而改变了它的结构。这个过程是可逆的:当贝壳干燥后,它又变硬变脆。

SLS cSAXS光束线处的Johannes Ihli和Klaus Wakonig

Johannes Ihli和Co-Auther Klaus Wakonig在SLS的CSAXS Beamline。信贷:Paul Scherrer Institute / Markus Fischer

努德曼和来自六个国家的同事们一起着手发现在这场意想不到的转变中到底发生了什么。他解释说:“贝壳的成分类似于骨骼。”。蛤蜊也是如此:如果动物需要使壳的特性适应不同的环境条件,它们通常必须在漫长且耗资巨大的过程中重新加工材料,通过重新吸收和分配矿物质。它不是简单地通过吸水来工作的。

具有特殊技巧的混合材料

它在瑞士光源SLS上表演是所谓的丧偶,“敞开大门揭示秘密”,SLS的PSI研究人员Johannes Ihli说。利用这种技术,研究人员在非常高分辨率显微镜下检查了仿佛,实际上在极低的温度下。“在室温下,不可能,由于高能X射线光将立即改变敏感壳结构,”Ihli解释说。

Brachiopod的壳体不超过半毫米厚,包括混合材料:主要是无机矿物质,其中嵌入了由蛋白质和糖制成的有机聚合物。骨骼,蛤壳和牙齿以类似的方式形成有机和无机材料的混合物。构成壳体主要成分的矿物是一种氟涂土 - 类似于构成牙齿牙釉质的材料。

该材料的微小纳米晶体布置成层。Nudelman将其与砖墙进行比较:“在这个类比中,砖是纳米晶体,砖之间的砂浆由丁蛋白和蛋白质等有机分子组成。”随着研究人员所观察到的,这种“砂浆”可以吸收大量的水,导致它膨胀。通过储存水,它改变其结构:它变得柔软,砖块相对于彼此移动。“然后水在单个纳米晶体之间的润滑剂如润滑剂一样,”Ihli解释道。“然后,晶体可以互相滑倒。”通过这种运动,壳体变得灵活。研究人员发现壳体中的毛孔网络在引导水中特别有效,在整个材料中迅速分配。

进化优势

Discinisca Tenuis.生活在沿海潮汐带的大型集群中,根据潮汐的不同,这些动物会暴露在强浪或平静的海水中。研究人员推测,如果动物能够迅速适应各自的情况,使壳的柔软或坚硬可能是有利的。他们在研究中写道:“这可以防止壳受损,从而成为动物生存的关键。”。这种现象甚至可能比想象的更为普遍:“我们不知道还有多少其他动物物种可能具有这种特性,”努德曼说。

除了生物学和进化之外,yabo124新获得的见解也对材料科学的兴趣:难以控制的硬质材料的发展可以持有许多应用的承诺。例如,运动衣服或头盔可能能够灵活地适应运动,并始终根据影响提供所需的保护。利用这种现象也可能在开发骨置换材料方面证明是有用的。

参考:“通过水合诱导的结构变化机械适应炮弹”,Anna S. Schenk,Sabine Rosenfeldt,Klaus Wakonig,Mirko Holler,Giuseppe Falini,Luca Pasquini,EugéniaDelacou,Jim Buckman,Thomas S. Glen,Thomas Kress, Esther H. R. Tsai, David G. Reid, Melinda J. Duer, Maggie Cusack and Fabio Nudelman, 10 September 2021,自然通信
内政部:10.1038/s41467-021-25613-4

1条评论在“变形软壳的奥秘:冷冻断层摄影术”上,揭开了这一秘密的大门

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