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 / © 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.
«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.
