每吃一只龙虾,就有一件天然“防弹衣”在消失!
时间:2019-03-10 07:58:23 | 来源:DeepTech深科技 | 作者:

  豫网把一只龙虾翻过来,你就会看到它的尾巴下面是由分开成数个部分的半透明膜连接的,与其他甲壳动物盔甲式的壳相比,这看起来相当脆弱。

  但来自麻省理工学院和其他地方的工程师发现,这种软膜异常坚韧,具有微观、分层、胶合板状结构,使其耐受刮擦和切割。当龙虾掠过岩石海底时,这种薄膜可以保护它的腹部。

  在某种程度上,这种膜也是有弹性的,这使得龙虾能够前后抽打它的尾巴,使捕食者难以咬穿或撕扯开其尾部。

  这种灵活性是由于该膜是一种天然水凝胶。这种水凝胶 90% 由水组成,其余大部分是甲壳素——一种在众多贝壳和外骨骼中发现的纤维材料。

  该团队的研究成果表明,龙虾膜是所有天然水凝胶中最坚韧的一种,坚韧度超过胶原蛋白、动物皮和天然橡胶等,与用于制造汽车轮胎、花园软管和传送带的工业橡胶复合材料坚韧相当。

  龙虾坚韧又有弹性的薄膜可以作为设计灵活性防弹衣的指南,尤其是针对身体活动度高的区域,如肘部和膝盖。

  “我们认为这项工作可以为设计更灵活的防弹衣提供思路,”麻省理工学院机械工程系的 d'Arbeloff 职业发展助理副教授郭明说道,“如果能用这类材料制作防弹衣,你就可以自由移动你的关节,这会让你感到更加舒适。”2 月 14 号,详细介绍该团队成果的全文发表在 Acta Materialia 期刊上。

  灵活的保护

  郭明教授开始研究龙虾膜的特性,是在一次与实验室的访客共进晚餐之后。

  “他之前从未吃过龙虾,并想尝试一下,“郭明教授回忆到,“虽然肉很好,但他意识到腹部的透明膜很难咀嚼。我们想知道这是由于什么原因。

  研究人员发现,尽管有很多专注于龙虾独特的盔甲式外壳的研究,但对甲壳类动物腹部软膜的研究却很少。

  “当龙虾游动时,它们伸展且移动关节,并快速翻转它们的尾巴以逃避掠食者,”郭明教授说,“龙虾不能完全被硬壳覆盖,它们需要这些更柔软的连接处。但之前没有人研究过这种软膜,这令我们非常令人惊讶。”

  因此,他和他的同事开始着手研究这种特殊材料的特性。他们将每个膜切成薄片,对每个薄片都进行了各种测试。例如将一些切片放在一个小烤箱中烤干,再测量其重量。根据这些测量结果,他们估测龙虾膜的 90%都由水组成,是一种水凝胶材料。

  研究人员将其他样品存放在盐水中以模仿自然的海洋环境,并对部分进行机械测试。将每个膜放置在可拉伸样品的机器中,同时精确测量对膜施加的力。他们观察到膜最初是松软的并且容易拉伸,直到它达到初始长度的两倍左右,此时材料变得更硬、更坚韧。

  “这对生物材料来说非常独特,”郭明教授说,“对于许多其他坚韧的水凝胶材料,越拉伸会变得越柔软。而龙虾膜的这种相反的特性则可以使龙虾灵活移动,并且在遇到危险时,软膜可以变硬并起到保护作用。“

  龙虾的天然胶合板

  当龙虾穿过海底时,它们会刮擦石头和沙子。研究人员想知道龙虾膜对这种小刮擦和割痕的弹性有多大。他们用一把小手术刀划伤膜样品,然后以与完整膜相同的方式拉伸它们。

  “我们做了划痕来模拟他们穿过沙子时可能会发生的摩擦,”郭明教授解释道,“我们甚至切开了薄膜厚度的一半,发现它仍然可以拉得很远。如果是橡胶复合材料的话,它们就会破裂。”

  随后,研究人员使用电子显微镜放大了龙虾膜的微观结构。他们观察到的结构非常类似于胶合板。每个厚度约为 0.25 毫米的薄膜由数万层组成。单层含有无数的甲壳素纤维,类似于稻草细丝,其角度取向均与上面的纤维层精确地偏离 36 度。同样,胶合板通常由三层或更多层薄木材制成,每层的颗粒与上下层成直角取向。

  “当你逐层旋转纤维的角度时会发现,各个方向都受力均匀,”郭明教授说,“人们一直在干燥材料中使用这种结构弥补缺陷。但这是第一次在天然水凝胶中看到它。”

  在秦的带领下,该团队还进行了模拟,看看如果人工将甲壳素纤维像胶合板那样对齐成龙虾膜那样整齐的形态,而不是完全随机的方向时,其膜如何对简单的切割做出反应。为此,他们首先模拟单个甲壳素纤维并赋予它某些机械性能,例如强度和刚度。然后,他们复制了数百万根这些纤维并将它们组装成由完全随机纤维或类似于实际的龙虾膜的精确定向纤维层,并且将两种不同结构进行对比。

  “有一个平台可以让我们直接测试和展示相同的甲壳素纤维在不同结构中会产生非常不同的机械性能,这令人感到惊奇。”研究人员说道。

  最后,研究人员在随机膜和分层膜上都割开了一个小凹口,并拉伸每个膜,以此模拟每个膜的受力。

  “在随机膜中,受力是相等的,当你拉伸它时,它很快就会断裂,”郭明教授说,“我们发现层状结构在没有断裂的情况下伸展得更多。”

  “问题是甲壳素纤维如何被组装成这样一种独特的分层结构,从而形成龙虾膜,”研究人员说,“我们正在努力了解这种结构,并相信这可是一种材料合成的微观结构新方法。”

  “我们认为这种膜结构可能是龙虾在地球上生存超过 1 亿年的一个非常重要的原因,”郭说。“在某种程度上,这种骨骼耐受性确实帮助了他们的进化。”

  除了帮助设计更加灵活的防弹衣,郭明教授认为这种材料还可用于软材料机器人以及组织工程学。如果可以的话,这可能会为自然界中最具弹性的生物之一的存在提供了新的视角。

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