Архивы: по дате | по разделам | по авторам

Зубы против раковин

08.07.2003

Материаловедам из Института исследования металлов Австрийской академии наук удалось разгадать тайну необычайно высокой прочности зубов, костей, раковин, панцирей и других биоматериалов.

Материалы, из которых состоят зубы и кости, являются молекулярными композитами из белков и биоминералов. Их жесткость сравнима с жесткостью составляющих их минералов, но энергия разрушения — на несколько порядков выше. Например, напряжения, при которых разрушается перламутр, в три тысячи раз больше, чем у его основы — карбоната кальция.

Несмотря на сложную и разнообразную структуру природных композитов, их механические свойства, как оказалось, определяются в основном на нанометровом уровне. На этих масштабах большинство биоматериалов выглядят как пластины из минералов, уложенные лесенкой в белковой матрице. Более жесткие биоминералы берут на себя растягивающие напряжения, а пластичная белковая матрица перераспределяет нагрузку между пластинами. Как показало компьютерное моделирование, если размер пластин опускается ниже некоторого порога (около 30 нанометров), их прочность на растяжение достигает предельной прочности идеального бездефектного монокристалла. Вдобавок пластинчатая структура способствует тому, что поле напряжений вблизи растущей трещины становится более равномерным. Чем меньше пластины, тем поле равномернее, и вблизи порога достигается теоретический предел прочности. Это объясняет, в частности, почему кости, состоящие из частиц размером несколько нанометров, прочнее раковин, пластины в которых достигают сотен нанометров.

Новые результаты опровергают (по крайней мере, на наномасштабах) общепринятую теорию концентрации напряжений вблизи кончика растущей трещины. Возможно, они позволят технологам и инженерам, копируя многовековой опыт природы, создавать новые композиты с недостижимыми доселе свойствами.