[Перевод] Загадочная прочность стеклянного скелета морской губки
Живущая в глубинах Тихого океана стеклянная губка обладает поразительной способностью противостоять сжатию и сгибанию, не говоря уже о других её необычных свойствах
Морская губка «Венерина цветочная корзина»
В 1841 английский биолог Ричард Оуэн с изумлением изучал замысловатый скелет недавно открытой морской губки, обитающей вблизи Филиппин. Он писал, что её скелет «напоминает изысканный рог изобилия», сотканный из «жёстких, блестящих эластичных нитей, чего-то вроде тончайших волосков кручёного стекла». Скелет и правда был стеклянным — это животное, Euplectella aspergillum, прозванное «венериной цветочной корзинкой», изготавливает его при помощи кислоты, извлекаемой из морской воды.
180 лет спустя учёные всё ещё изумляются этой губке. Среди её интересных свойств есть потрясающе долгая продолжительность жизни. Считается, что некоторые стеклянные губки живут многие тысячи лет, что делает их одними из самых долгоживущих животных. Кроме того, губка умеет проводить свет через свои кварцевые нити, как оптоволокно. В последние два десятилетия группа биологов, материаловедов и инженеров из Гарвардского университета сконцентрировались на той особенности губки, которая изначально заинтересовала Оуэна — замысловатой схеме строения её скелета. Последняя работа описывает его чрезвычайную прочность, природа которой не ясна. Похоже, что он обладает максимальной прочностью, которая вообще возможна для подобной структуры.
«Это почти что святой Грааль инженерных проектов», — сказал Друв Бате, адъюнкт-профессор инженерного дела из Аризонского государственного университета, изучающий венерину цветочную корзину, но не участвовавший в упомянутой работе.
Прочность скелета основана на необычном строении его решётки. Впервые им 20 лет назад заинтересовалась гарвардский материаловед и химик Джоанна Айзенберг. Катя Бертолди, одна из соавторов Айзенберг, тоже была очарована рисунком решётки, как только увидела её. «У неё архитектура периодическая, но не простая», — сказала Бертолди. Они с коллегами задумались: «Почему же архитектура получилась именно такой?»
Они отметили, что у стеклянных нитей, составляющих скелет венериной цветочной корзины, много общего с фермами, используемыми для стабилизации мостов и небоскрёбов. Вот уже более ста лет инженеры предпочитают делать фермы из прочных решёток в виде квадратной сетки с диагоналями, придающими ей прочность. «Мы уже давно делаем это одним и тем же способом», — сказал Матеус Фернандес, аспирант из команды исследователей. Но в скелете венериной цветочной корзины есть пари диагоналей, идущих в обоих направлениях — в отличие от типичных ферм, использующих единственную диагональ. Пары диагоналей разнесены в пространстве, из-за чего сетка похожа не шахматную доску, на которой диагонали пересекают каждый второй квадрат.
На увеличенной фотографии скелета видна периодическая решётка. Размер ячеек — порядка 2,5 мм.
Исследователи изготовили, а также симулировали на компьютере решётку на основе скелета губки, и сравнили её с тремя другими схемами решёток, имеющих похожий вес, включая и стандартные фермы. В симуляциях и экспериментах обнаружилось, что решётка, изготовленная по биологическому образцу, выдержала наибольшие нагрузки. Испытывалось сжатие в одном направлении, а также давление на три точки. В последующих симуляциях учёные меняли количество диагональных нитей, расстояние между ними и их толщину, чтобы подобрать наиболее прочную решётку. Наиболее прочной оказалась решётка, сделанная по образу скелета губки.
Фернандес говорит, что дополнительные диагонали дают решётке больше мест соединения нитей, чем у обычной фермы, и уменьшают расстояние между соединениями. Возможно, это позволяет структуре выдерживать большее давление. Команда подробно описала свои первоначальные открытия, касающиеся прочности скелета, в сентябре в журнале Nature Materials. Один из соавторов работы, Джеймс Уивер, сказал, что сейчас авторы находятся в процессе более «глубокого погружения» в разные аспекты этих стеклянных скелетов.
Также исследователи подают заявку на патент, регистрируя созданную ими на основе скелета решётку. Если структурам можно будет добавить прочности, не добавляя веса, теоретически получится строить более длинные мосты, более лёгкие компоненты, которые будет проще перевозить, и даже создавать более изящные конструкции для использования в космосе. «Процесс проб и ошибок, идущий миллионы лет эволюции, выбирает наилучшие варианты» для материалов, как сказал Пабло Заватьери, профессор гражданского строительства из университета Пердью.
Однако в случае венериной цветочной корзины эволюционная цель несжимаемости губки неясна.
Прочная губка: в экспериментах и компьютерных симуляциях выяснилось, что решётка, смоделированная по образу скелета губки Euplectella aspergillum, способна выдержать гораздо большие нагрузки, чем другие решётки, популярные в строительстве.
Губки часто живут на глубинах в тысячи метров, при экстремальном давлении воды, однако это давление действует во всех направлениях, одинаково сдавливая стеклянные нити со всех сторон, что нивелирует его воздействие. Губка не испытывает «сокрушительного давления», пояснил Клинт Пеник, биолог из Кеннесонского государственного университета в Джорджии.
Пеник сказал, что губке нужна прочная структура, но для того, чтобы стоять вертикально и фильтровать содержащийся в воде планктон. Также ей необходимо сдерживать пару креветок, которые часто навсегда поселяются внутри губки, когда вырастают до размера, слишком большого для того, чтобы её покинуть. Эта её особенность заслужила для губки статус символа вечной любви в Японии, где её дарят на свадьбу. Также крепкие скелеты губок могут противостоять хищникам и другим животным, сталкивающимся с губками, добавил Пенек, хотя ничто из этого не объясняет необходимость в такой чрезмерной прочности.
Венерина цветочная корзина может предложить не только значительную прочность. Образующие сетку стенки — лишь один из нескольких уровней сложности её структуры. На микроуровне её волокна могут немного сдвигаться в рамках сетки, а расположение белков и молекул кварца предотвращают распространение трещин. На макроуровне кружевной скелет помогает губке фильтровать воду. Команда Бате исследует, как работает ещё одно свойство губки: из-за того, что некоторые нити не полностью подсоединены к другим, губка обладает определённой гибкостью. Также им интересно, почему её структура устойчива к перекручиванию.
«Это одна из тех тем, на которые можно потратить целую жизнь, и всё равно не воспроизвести всех возможностей, — сказал Бате. — Поэтому это так здорово».
