«Биологическая разновидность, выживающая в такой чрезвычайной окружающей среде, является грандиозным предприятием», сказал Викас Томэр, адъюнкт-профессор в Школе Университета Пердью Аэронавтики и Астронавтики. «И креветки – большой прецедент для эволюции, потому что Вы можете найти различные разновидности, во всем мире живущие на различных глубинах и с рядом требований адаптации».Он и докторанты Тао Цюй, Девендра Верма, Ян Чжан и Чандра Пракаш сравнили экзоскелеты глубоководных креветок Rimicaris exoculata и мелкого жилья креветки Pandalus platyceros.
Глубоководная разновидность живет на 2 000 метров ниже океанской поверхности в вулканических термальных источниках, где температуры могут превысить 400 градусов Цельсия, тогда как другая разновидность живет чуть ниже океанской поверхности.«Мы хотим понять, как эволюция затрагивает существенное поведение в экзоскелетах этих двух видов креветок, которые процветают в сильно отличающихся условиях», заявил Томар.
Понимание сложного молекулярного поведения материалов могло иметь последствия для дизайна новой синтетической брони, способной к противостоянию экологическим крайностям.Новые результаты были детализированы в научно-исследовательской работе, издал онлайн 2 июля и появится в будущем выпуске печати журнала Acta Biomaterialia.
Две других недавних работы тех же самых исследователей фокусировались на лабораторных экспериментах в экзоскелеты креветок.Исследователи исследовали интерфейс между двумя ключевыми компонентами экзоскелетов: белок назвал хитин и подобный кости минерал названными кальцитом.
То, как эти два типа материалов – один органический и другие неорганические – ведут себя в их интерфейсе, очень важно для определения, как экзоскелет выступает.Были изучены десять экземпляров экзоскелета, и экспериментальные исследования были выполнены, используя лабораторные методы включая просмотр электронной микроскопии и электронной спектроскопии дифракции, показав детали о структуре и химическом составе.
Экзоскелеты обоих видов креветок обладают теми же самыми микроструктурами: хитин, кальцит и другие компоненты устроены в слоистой helicoidal структуре, которая напоминает винтовую лестницу. Сравнение двух разновидностей, однако, показало различия в плотности структур, толщине слоев и содержания минеральных веществ.
Экзоскелет глубоководных креветок, как находили, обладал более плотно упакованной структурой.К их удивлению исследователи нашли, что экзоскелет поверхностных креветок приблизительно в 10 раз более силен, чем экзоскелет глубоководных креветок.«Механистически, Вы ожидали бы, что, когда это уплотнено, это становится более сильным, но это на самом деле более слабо после уплотнения», заявил Томар.Новое исследование исследовало то, что происходит в интерфейсе между хитином и кальцитом и как эти механизмы затрагивают работу экзоскелета.
Этот интерфейс помогает определить, как структуры передают напряжение.Результаты показали, что глубоководный экзоскелет более мягкий, все же способный к противостоянию экстремальные значения давления и температура. Экзоскелет поверхностных креветок более тверд и лучше способен защитить от хищников.«Даже при том, что у них есть та же самая основная микроструктура, они – совершенно другие материалы», заявил Томар.
Информация об интерфейсной вязкости, полученное использование молекулярных моделирований взаимодействующих материалов допускает более точное моделирование того, как керамические полимером соединения искажают должный напрячься. Исследователи разработали «вязкопластичный закон» или математические уравнения для такого интерфейса.Обычные модели для керамических полимером соединений терпят неудачу, потому что они включают пиковую силу, тогда как материалы, более вероятно, потерпят неудачу высоким напряжением или быть протянутым.
«Есть теории неудачи, что мы используем, но они предсказывают неудачи с точки зрения силы», заявил Томар. «В случае этих материалов это – напряжение, это является самым важным, таким образом, Вы не можете превысить определенный уровень деформации без ломки».Результаты проливают свет на то, как вода играет жизненно важную роль в обеспечении силы к молекулярной структуре экзоскелетов. Исследователи также создали «интерфейсную базу данных», чтобы смоделировать, как конкретный композиционный материал выступит, учитывая его состав, микроструктуру и тип интерфейса.Также автор на Протоколах, бумага Biomaterialia была студентом бакалавриата Милэдом Алукозаем, который был выбран в качестве одного только из 12 американских студентов, чтобы получить национально престижную Стипендию Митчелла на аспирантуру в Ирландии.
Он – первый Стипендиат Митчелла Пердью.В связанном исследовании команда работает с сотрудниками в Венском техническом университете, чтобы изучить интерфейс между коллагеном и человеческой костью и как кость искажает со временем. Исследование было детализировано в апреле в Общественном Бюллетене Исследования Материалов.
Результаты могли помочь лучше смоделировать поведение медицинских внедрений.