Муравьи кусаются металлическими зубами

Благодаря необычному сочетанию материалов челюсти некоторых животных намного превосходят наши зубы. Хотя у муравьев они зачастую тоньше человеческого волоса, те без труда режут листья или даже вскрывают панцири других насекомых.

Муравьи используют при укусе на 60 % меньше силы, чем животные с обычными зубами. Благодаря внедренным атомам металла их режущая кромка может быть намного острее классических биокомпозитов. В отличие от зубной эмали, например, она состоит не из кристаллов, встроенных в основную массу белков, а из гомогенного материала. Его белки стали тверже из-за атомов металлов, таких как цинк или марганец.

Биоматериалы, обогащенные тяжелыми элементами, встречаются не только у муравьев, но и у скорпионов, пауков и некоторых морских животных. Как пишет в Nature команда Роберта М. Шофилда из Университета Орегона, этот материал такой же твердый, как и классические биокомпозиты, например, в зубах или клешнях крабов, но точнее структурирован и прочнее. 

Долгое время оставалось загадкой, как возникли эти композитные материалы. Очень высокое содержание металла, до 18 % в зубах морских червей, заставляло предположить, что и тут мелкие кусочки металла встроены в белок челюсти. Но атомно-зондовая томография показала, что атомы металлов не связаны друг с другом, а равномерно распределены даже в самых тонких структурах.

Благодаря своим особым химическим свойствам эти атомы металлов действуют как «поперечные скобки», которые связывают белки внутри и друг с другом и делают материал более твердым. В результате вещество, из которого сделаны зубы муравьев или жало скорпионов, имеет однородную структуру. 

В классических композитных материалах твердые компоненты присутствуют рядом с мягкими и по-разному воспринимают нагрузки. Например, материал зубов может сломаться на границе между твердым минералом и более гибким белком, особенно с очень тонкой структурой. Для сравнения, режущая кромка муравьиной челюсти, которая сама по себе однородна и прошита цинком, может быть гораздо тоньше - и, следовательно, гораздо острее. У муравья-листореза Atta cephalotes ее толщина составляет всего 50 нанометров.

В то же время, химическое сшивание атомами металла оказывает еще один эффект. Металл образует с белками координационные связи, которые могут ослабляться и возникать вновь. Как показала команда Шофилда в ходе механических испытаний, это делает металлосодержащие биоматериалы чрезвычайно устойчивыми к истиранию. Появившиеся в них трещины могут зажить сами, поскольку атомы металла просто восстанавливают ослабленные связи.

Источник: spektrum.de