Если порыскать по берегам северной части Тихого океана, может повезти, и вы заметите "блуждающий мясной рулет" - круглого красновато-коричневого моллюска, известного также как хитон десневой бут или, более научно, как Cryptochiton stelleri. Он передвигается вдоль берегов и соскребает водоросли со скал своими маленькими, но невероятно крутыми зубами.
Анализируя выносливые резцы этого причудливого животного, ученые обнаружили, что его стилус (длинная полая структура, соединяющая зубы с мягкой мембраной под ними) содержит крошечные частицы сантабарбараита - редкого минерала на основе железа, который до сих пор встречался только в реальных горных породах. Именно сантабарбарит обеспечивает укус этих моллюсков - он делает корень их зубов легким, но удивительно прочным, одним из самых твердых материалов, когда-либо найденных в природе. Изучение того, как сантабарбарит встраивается в зубы хитонов, не только помогает ученым понять, как они питаются, но это открытие может способствовать развитию технологии 3-D печати. Результаты исследования были опубликованы в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.
При анализе зубов животного исследователи использовали различные передовые методы визуализации, такие как микроскопия и спектроскопия. Хотя они знали, что у этих моллюсков исключительно крепкие зубы, обнаружение сантабарбарайта внутри щупа было совершенно неожиданным. "[Этот минерал] никогда прежде не встречался в биологическом контексте", - сказал в своем заявлении Дерк Джойстер, материаловед из Северо-Западного университета и старший автор статьи. "Он имеет высокое содержание воды, что делает его прочным при низкой плотности. Мы думаем, что это может сделать зубы более прочными без увеличения веса".
Команда также заметила, что распределение минерала в тканях, из которых состоит щуп, влияет на жесткость различных частей полой структуры. Затем они задались вопросом, можно ли использовать этот же принцип для создания более прочных чернил для 3-D печати. Исследователи создали синтетическую альтернативу сантабарбарайту, используя соединение, похожее на хитин, а также железо и фосфат.
Чернила хорошо работали при печати сразу после смешивания и затвердевали по мере высыхания. В зависимости от того, сколько железа и фосфата было добавлено в смесь, печатный материал мог быть мягким и резиновым или жестким и твердым.
"Должна быть возможность смешивать чернила в соотношении, которое можно изменить непосредственно перед печатью", - сказал Джостер в интервью The New York Times. "Это позволит вам изменять состав, количество наночастиц и, следовательно, прочность материала на лету. Это означает, что можно печатать материалы, прочность которых очень сильно меняется на относительно коротких расстояниях".
Мир природы - отличное место для ученых, где они могут искать вдохновение для решения инженерных и дизайнерских задач. Сверхтвердые материалы, соединенные с мягкими структурами, как в зубах хитона, представляют собой интересный механический подвиг, сказал Джостер в своем заявлении: "Это остается серьезной проблемой в современном производстве, поэтому мы обращаемся к таким организмам, как хитон, чтобы понять, как это делается в природе, у которой было несколько сотен миллионов лет времени для развития".