Blåskjell kan hjelpe oss med å bygge et bedre hengsel

Materialforskere studerer hvorfor disse skalldyrene er så gode til å åpne og lukke.

Funksjonen til sammenleggbare telefoner og håndholdte spillkonsoller som Nintendo 3DS henger på, vel, hengslene deres. Åpne og lukk slike dingser nok ganger til at hengslene begynner å svikte, og du kan finne på å ønske deg et langt bedre ledd.

Som det skjer, kan dyreriket ha oppfylt det ønsket. Inspirasjonskilder har form av muslinger: muslinger, østers, hjertemuslinger, blåskjell og en hel rekke andre organismer med to skall. I løpet av livet til en musling kan skjellene åpne og lukke seg hundretusenvis av ganger, tilsynelatende uten å ta skade.

Nå har et team av biologer og materialforskere jobbet sammen for å undersøke tilfellet med en bestemt musling, Cristaria plicata, den hanekam perlemusling. I avisen deres, publisert i journalen Vitenskap i dag har de ikke bare reversert en blåskjells hengsel, de har gjenskapt den med glassfiber og andre moderne materialer.

Hanekamperlemuslinger, studiens hovedmuslinger, finnes i ferskvann over hele nordøst-Asia. Gamle kinesiske håndverkere

vokste perler innenfor skjellene til denne blåskjell. Ved å åpne muslingen, sette inn en liten gjenstand som en perle eller en liten Buddha inni, lukke dyret, og la det være i et år, kunne de hente gjenstanden etterpå - nå belagt i iriserende perlemor.

Perlemor, også kjent som Nacre, har lenge trukket oppmerksomheten til materialforskere for mye mer enn dens skjønnhet. Selv om Nacre er laget av et sprøtt kalsiumkarbonatmineral kalt aragonitt, gir dets struktur – aragonitt-"murstein" limt sammen av en protein-"mørtel" - stoffet utrolig styrke og motstandsdyktighet.

"Mange forskere har replikert ulike aspekter av murstein-og-mørtel-strukturen for å prøve å lage stive, tøffe og sterke materialer, sier Rachel Crane, en biomekaniker ved University of California, Davis, som ikke var forfatter av det nye papiret.

[I slekt: Dette nye materialet er like sterkt som stål – men lettere]

I prosessen med å studere Nacre, kunne noen forskere ikke la være å legge merke til muslingens hengsel. Til tross for at det også er laget av den samme sprø aragonitten, bøyer og strekker hengslet seg uten å knekke. "Denne eksepsjonelle ytelsen imponerte oss stort, og vi bestemte oss for å finne ut den underliggende årsaken," sier Shu-Hong Yu, en materialforsker ved University of Science and Technology i Kina, og en av artikkelens forfattere.

Biologer hadde studert hengsler og forskjellene mellom dem for å klassifisere muslinger allerede på 1800-tallet. Men de hadde ikke teknologien til å skrelle fra hverandre disse levende leddenes indre strukturer. Yu og kollegene hans tok imidlertid ut hengslene og undersøkte dem under et batteri av mikroskoper og analysatorer.

De fant ut at muslingens hengsel består av to nøkkeldeler. Den første er i hengslets kjerne: en foldedel formet som en papirvifte. Viftens "ribber" er en rekke små aragonitttråder, innhyllet i en myk proteinpute. Den andre delen er et leddbånd, et elastisk lag over viftens ytterkant.

Når hengslet lukkes, hjelper proteinmatrisen med å holde ledningene rette, og hindrer dem i å bøye seg og knekke. I mellomtiden absorberer det ytre leddbåndet spenningen fra hengslets utfoldelse. Sammen gjør denne konfigurasjonen hengslet spesielt hardfør.

Forfatterne plasserte hengsler hentet fra blåskjell i en maskin som gjentatte ganger tvang dem til å åpne og lukke. Dette testet deres dyktighet under langvarig, gjentatt stress. Selv etter 1,5 millioner sykluser fant forfatterne ingen tegn til skade. Med andre ord, hvis blåskjell åpnet og stengte skjellene sine én gang i minuttet, hvert minutt, i tre år på ende, ville hengslet forbli perfekt funksjonelt.

Dette gjør muslingens hengsel supermotstandsdyktig mot det ingeniører kaller "tretthet". Alt fra muttere og bolter til bro støtter bygger opp slitasje ved gjentatt bruk, akkurat som bena dine kan føles slitne hvis du nylig har løpt et maraton. Og, akkurat som et par utmattede ben, er det mer sannsynlig at en sliten del mislykkes - med lammende konsekvenser. "Hengslet til toskallet skall er spesielt interessant, ikke bare for sin utmattelsesmotstand, men også for sin evne til å bøye seg," sier Crane.

Det er sikkert fristende å forestille seg bisarre biopunkdører som åpnes og lukkes på ryggen til utrettelige blåskjellhengsler. Selv om det nesten helt sikkert er upraktisk, tror forfatterne at disse hengslene kan inspirere menneskeskapte deler som tjener våre formål godt.

[I slekt: Resirkulering av en av klodens vanskeligste plastikk ble bare litt enklere]

Faktisk, inspirert av strukturen de fant, laget Yu og kollegene sitt eget hengsel av glassfiber innebygd som vifteribber i en polymermatrise. De satte sitt kunstige hengsel på prøve, og fant ut at det holdt seg som det ekte, organiske artikkel – mens andre hengsler, ett med uorganiserte glassfibre og et annet med glasskuler, begynte å gjøre det knekke og sprekke

Yu sier at deres tidlige innsats ikke er ment for vanlig menneskelig bruk. Men det viser at vi kunne lage en blåskjelllignende bøy hvis vi trengte det. For eksempel, hva om en mobiltelefondesigner ønsker å lage en sammenleggbar telefon med berøringsskjerm som trenger et sprøtt materiale som glass?

"Den vifteformede-region-inspirerte designstrategien gir en lovende måte å møte denne utfordringen på," sier Yu. Gruppen hans planlegger nå å undersøke hva de myke proteinene gjør i hengslene.

Men evolusjon og ingeniørkunst spiller etter forskjellige regler. Det er ikke nødvendigvis lett å etterligne materialer som har utviklet seg over millioner av år. "De fineste mønstrene i biologiske strukturer er ofte utfordrende og kostbare å gjenskape," sier Crane.

Siste blogginnlegg

Etter tusenvis av år med forskning, prøver vi fortsatt å finne ut statisk elektrisitet
September 03, 2023

I dag har en forsker fra Northwestern University endret det som var... I dag i tingene vi trodde vi forstod, men egentlig ikke arkiverer, en North...

Aktiv maskering kan motvirke radar, jordskjelv og tsunamier
September 03, 2023

Dagens stealth fighters, som f.eks F-22 Raptor, kan gjøre det ganske bra med å skjule radarsignaturen deres, men matematikere sier at en ny aktiv m...

Lockheed Martin foreslår bemannet oppdrag til den mørke siden av månen
September 03, 2023

Obama-administrasjonen kan ha avskaffet NASAs ambisiøse bemannede måneutforskningsplaner for enda mer ambisiøse dype rom... Obama-administrasjonen...