Ученые выяснили, в чем секрет прочности жгучих волосков крапивы и комариных хоботков — Naked Science
Мария Азарова

Ученые выяснили, в чем секрет прочности жгучих волосков крапивы и комариных хоботков

3.6

Исследователи объяснили, как острые части растений или животных, будь то жало комара или иглы кактуса и волоски крапивы, могут быть настолько прочными, чтобы прокалывать кожу человека и при этом не ломаться. Оказалось, несмотря на вариацию в размерах, их структуры поразительно похожи.

Стебель крапивы
Стебель крапивы / © CC BY 2.0 / Jerry Kirkhart

Ученые из Датского технического университета (DTU Physics) в своем исследовании, опубликованном в журнале Nature, рассказали о принципах, лежащих в основе конструкции шипов, игл, жал и многого другого, а также выяснили, почему они способны прокалывать кожу человека и оставаться целыми. По словам авторов работы, эти механизмы можно будет использовать в биомиметике: в частности, при разработке новых инструментов и медицинского оборудования.

Кааре Хартвиг ​​Йенсен и его коллеги из DTU Physics неоднократно сталкивались с тем, что маленькие стеклянные пипетки, которые необходимы при заборе жидкости из растительных клеток, разрушаются при контакте с клеточной стенкой. Это настолько озадачивало исследователей, что они решили подробнее изучить растения, обладающие колючками, а также некоторых животных: например, кровососущих комаров или морских ежей.

Для этого был проведен эксперимент, невольными “участниками” которого стали более 200 видов различных растений и животных. При этом их шипы, жала и прочие заостренные части разных форм и размеров могли использоваться для множества целей: например, для прилипания к поверхности, приема пищи или защиты. Также в исследование включили искусственные острые предметы — гвозди, иглы для шприцев и копья длиной до шести метров — для поиска взаимосвязи между прочностью и эластичностью.

Растения, животные и предметы с острыми концами, изученные в работе, а также их конструкция / © Nature

«Наши результаты показали, что существует четкая корреляция между длиной иглы или жала и диаметром, как близко к кончику, так и в месте его прикрепления к “хозяину”. Мы раскрыли оптимальную стратегию проектирования, которая связывает их длину, диаметр основания d0, модуль Юнга E и силу трения на единицу площади. Этот принцип может быть сформулирован так: d0 ≈(μп0/Е)1/3L. Таким образом, и необходимая прочность, и эластичность кончика — будь то колючка крапивы или жало комара — может быть гарантирована, — говорит Кааре Хартвиг ​​Йенсен. — В то же время ясно, что острые предметы природного происхождения находятся на самом краю того, что физически возможно. При этом все природные проекты похожи, независимо от того, смотрим ли мы на наноразмерные пики вируса или на полутораметровый шип рыбы-меч”.

Авторы работы отметили, что их результаты могут быть полезны в будущем при создании, к примеру, игл шприца для более оптимизированного распределения лекарства или гвоздей, чтобы снизить расход материала без потери для качества. При этом сами исследователи уже применили выведенную формулу: они перепроектировали стеклянные пипетки таким образом, чтобы те более не ломались во время экспериментов.

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl + Enter.
Вчера, 09:28
Сергей Васильев

Окаменелости возрастом более 3,4 миллиарда лет могут быть остатками микробов-архей, живших и выделявших метан у гидротермальных источников на дне ископаемого моря.

Вчера, 20:52
Мария Азарова

Проект назвали в честь Галилео Галилея — итальянского ученого эпохи Возрождения, который задействовал разработанный им телескоп для наблюдения за астрономическими объектами, такими как луны Юпитера, кратеры спутника Земли и кольца Сатурна. Пока программа получила финансирование в 1,75 миллиона долларов, но возглавляющий ее профессор Ави Леб надеется на большее.

Вчера, 21:44
Василий Парфенов

Винтокрылый дрон Ingenuity продолжает демонстрировать свою исключительную пользу в качестве инструмента для изучения Марса. Он совершил уже десятый полет, преодолев в сумме 1838 метров, а также разогнался до рекордной скорости и поднялся на впечатляющую высоту.

25 июля
Александр Березин

До массовой термоядерной энергетики 20 лет — и всегда будет 20 лет. Это незатейливая шутка сама стала старой еще 20 лет назад. Общество расстраивается от того, что термояд все никак не могут вывести на промышленный уровень. И лишь Илон Маск считает, что термоядерный реактор вовсе не нужен. Внимательный анализ показывает, что он прав. Даже если все технические проблемы термоядерной энергетики чудесным образом разрешатся, у нее не будет шансов вытеснить конкурентов. Как так вышло, и что тогда спасет человечество от энергетического кризиса?

25 июля
Мария Азарова

Ученые подтвердили связь между коронавирусной инфекцией и снижением когнитивных способностей на основе анализа данных более чем 81 тысячи человек.

Вчера, 09:28
Сергей Васильев

Окаменелости возрастом более 3,4 миллиарда лет могут быть остатками микробов-архей, живших и выделявших метан у гидротермальных источников на дне ископаемого моря.

25 июля
Александр Березин

До массовой термоядерной энергетики 20 лет — и всегда будет 20 лет. Это незатейливая шутка сама стала старой еще 20 лет назад. Общество расстраивается от того, что термояд все никак не могут вывести на промышленный уровень. И лишь Илон Маск считает, что термоядерный реактор вовсе не нужен. Внимательный анализ показывает, что он прав. Даже если все технические проблемы термоядерной энергетики чудесным образом разрешатся, у нее не будет шансов вытеснить конкурентов. Как так вышло, и что тогда спасет человечество от энергетического кризиса?

13 июля
Ольга Иванова

Международная команда ученых идентифицировала ДНК из почвы в грузинской пещере. Благодаря этому исследователям удалось восстановить геном человека возрастом 25 тысяч лет, не имея никаких скелетных останков.

8 июля
Василий Парфенов

Подросток из бельгийского города Остенде стал вторым самым юным обладателем высшего образования в обозримой истории. Он с отличием окончил курс физики в Антверпенском университете и теперь собирается защитить магистерскую степень, а затем и докторскую диссертацию в этой области. Цель у него простая и понятная: увеличение продолжительности жизни человека вплоть до полного бессмертия за счет замены частей тела и органов механическими или искусственными.

[miniorange_social_login]

Комментарии

Написать комментарий

Подтвердить?
Подтвердить?
Лучшие материалы
Войти
Регистрируясь, вы соглашаетесь с правилами использования сайта и даете согласие на обработку персональных данных.

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: