У красивой, безмозглой хрупкой звезды, обитающей в коралловых рифах, есть ключ к сверхпрочному стеклу. Сотни фокусных линз расположены на руках этого существа, иглокожего под названием Ophiocoma wendtii. Эти линзы, сделанные из мела, мощные и точные, и расшифровка их кристаллической и наноразмерной структуры занимала Боаза Покроя и его команду из Технион-Израильского технологического института в течение последних трех лет. Благодаря исследованиям, проведенным на трех лучевых линиях ESRF, ID22, ID13 и ID16B, среди других лабораторий, они выяснили уникальный защитный механизм высокопрочных линз.
В качестве примера возьмем закаленное стекло. Он создается путем оказания сжимающего давления на стекло, которое сжимает его и делает его более компактным, чем в естественном состоянии. Закалка стекла осуществляется путем быстрого нагрева, а затем быстрого охлаждения материала.
В этом процессе материал снаружи охлаждается быстрее, чем изнутри, и тем самым сжимает внутреннюю часть. Линзы Ophiocoma wendtii создаются в открытом море при комнатной температуре, в отличие от закаленного стекла. «Мы открыли стратегию, позволяющую сделать хрупкий материал более долговечным в естественных условиях. Это« инженерия кристаллов »и отпуск без нагрева и закалки — процесс, который может быть очень полезен в материаловедении», — объясняет Покрой.
Образование линз кальцита было обнаружено благодаря длительной серии экспериментов в ESRF и просвечивающем электронном микроскопе Titan в Технионе. «Когда мы впервые пришли в ESRF, мы не ожидали, что наши исследования дадут такие результаты», — говорит Покрой. Команда сначала пришла на ID22, где они использовали порошковую дифракцию рентгеновских лучей, чтобы изучить материал в порошковой форме при его нагревании. «После этого эксперимента мы поняли, что у нас были нанодомены, поэтому мы провели некоторую просвечивающую электронную микроскопию дома, затем пришли к ID13, чтобы сопоставить нанодомены, и, наконец, к ID16, чтобы провести томографию, чтобы определить, как различные частицы располагаются в разных слоях», — добавляет он. .Команда, в которую входят ученые из Университета Висконсина (США), Музея естественной истории округа Лос-Анджелес (США), Университета Тренто (Италия) и больницы Шарите в Берлине (Германия), обнаружила, что решающий этап в Процесс формирования линзы — это переход от аморфной фазы — фазы между жидкостью и твердым телом — к кристаллической фазе.
На этом этапе наночастицы кальцита, которые богаты магнием и характеризуются относительно низкой плотностью, отделяются от остального материала. Разница в концентрации магния в частицах кальцита вызывает различную степень твердости, плотности и давления в разных областях материала. Богатые магнием частицы давят на внутреннюю часть линзы, когда она кристаллизуется, и «закаляют» ее в прозрачный и прочный кристаллический материал.
"Природа проявляет огромную изобретательность в улучшении способностей организма в различных контекстах, таких как сила, восприятие и самооборона. И здесь, в процессе создания выносливых и точных прозрачных линз, мы видим огромную эффективность в использовании существующего сырья. в условиях естественной окружающей среды ».
Теперь инженеры могут использовать эту недавно открытую биостратегию для повышения жесткости и упрочнения синтетических керамических материалов в различных областях, от оптических линз до автомобильных турбокомпрессоров и даже имплантатов из биоматериалов.