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软物质和液体

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超级大虾的秘密揭晓

The harlequin mantis shrimp wields its 螺旋的 clubs

美国科学家解决了自然界中的一种’s little mysteries –丑角螳螂虾如何产生足够的力来砸碎水族玻璃,而不会对这对虾造成任何重大损害“dactyl”俱乐部。研究人员认为,虾通常用来裂开坚硬的贝类的棍棒的秘密在于它们如何结合具有非常不同特性的材料。测量表明,这些球杆比任何合成复合材料具有更高的比强度和韧性。–研究人员认为这一发现可能会导致更坚固的材料,包括用于防弹衣的材料。

仅测量3–18 厘米长的丑角螳螂虾(齿突齿龙)可以加速其球杆达到80以上的速度 每小时公里,使其可提供超过700的瞬时力 N.除了这种钝力外,气泡还被困在球杆和生物之间’的壳,然后塌陷以产生很大的局部应力区域。此过程可以重复数千次,而不会对球杆造成任何明显的损坏,最终会在换羽过程中将其替换。

进一步了解虾’哈佛大学的詹姆斯·韦弗(James Weaver),加州大学的加勒特·米伦(Garrett Milliron),新加坡南洋理工大学的阿里·米塞雷斯(Ali Miserez)运用各种不同的分析技术来确定球杆的结构和组成,包括电子显微镜X射线显微照相术,同步加速器X射线衍射和能量色散X射线光谱。

表面脆弱?

球杆的一个令人惊讶的方面是,其击球面是由一层非常坚硬的结晶性磷酸钙钙陶瓷材料(称为羟基磷灰石)制成,约60 µ米厚。单独地,这样的材料将不是很耐用,因为它可能会因冲击而破裂。然而,在这个坚硬表面的后面,研究小组发现了一个更厚的区域,该区域包含由多糖壳聚糖制成的纤维层–一种弹性更大的材料,通常在虾的外骨骼中发现。

每个连续的纤维层都平行于表面,但与其相邻的层之间偏移一个小角度,从而使纤维层旋转180°在大约75的距离上 µ米球杆通过壳聚糖纤维制成的第三种结构在边缘固定在一起。团队认为这是分层的“helicoidal”使球杆具有极强的抗断裂性能的结构。研究人员说,通过材料传播的任何裂纹都必须不断改变方向–使骨折不太可能发生。

裂缝改变方向

研究小组还发现,球杆的弹性模量随深度而变化。–结果是当冲击传播到球杆中时,一些冲击能量会反射回表面。模量的这种变化也可能反映正在扩展的裂纹,从而降低了断裂的风险。团队相信虾的见解’基于硬质陶瓷和弹性有机材料的复合材料,强大的球杆可以带来更好的防弹衣。

这不是螳螂虾第一次成为生物物理学家’雷达。已知这些动物具有高度发达的视觉系统,2008年的研究人员表明,虾的两种物种可以检测出圆偏振光–最早的活生物体就是这样做的。

该研究描述于 科学.

版权©2020年由IOP 出版 Ltd和个人贡献者