Инженеры привыкли оценивать защитные материалы по прочности, жесткости и долговечности. Но что, если такие материалы могли бы еще и чувствовать окружающую среду? Этот вопрос возник при изучении морских звезд: их скелеты оказались не просто опорой, но и оптической системой. Это выяснила группа исследователей из Университета Пенсильвании (США). Исследование опубликовано в PNAS.
Изначально специалисты хотели понять, как морские звезды создают легкие, но прочные пористые скелеты. Карбонат кальция, из которого они состоят, сам по себе хрупкий, а добавление пор обычно делает материал еще слабее. Однако у морских звезд все наоборот: их скелеты очень пористые, но при этом выдерживают огромные нагрузки. Выяснилось, что микроскопические переходы между порами настолько гладкие, что напряжения распределяются равномерно, а трещины не распространяются по всей конструкции.
Открытием стало то, что на кончиках лучей обнаружились десятки крошечных линзовидных выступов, встроенных прямо в минеральный скелет. Эти структуры оказались световодами: они захватывают свет, направляют его внутрь и концентрируют у основания. Отдельный элемент проводит около семидесяти процентов падающего света, а когда они работают вместе как массив, то собирают сигнал со всей площади — он становится в разы сильнее, чем у одного элемента.
Подобные образования замечали и раньше, но их назначение оставалось загадкой. Теперь стало ясно, что скелет выполняет не только механическую, но и сенсорную функцию. Для морских обитателей светочувствительность важна: она помогает улавливать движение, находить укрытие, пищу или избегать хищников. Но для инженеров здесь важнее сам принцип: одна и та же конструкция работает и как опора, и как датчик.
Обычно, если в материал хотят добавить функцию слежения, приходится жертвовать прочностью, весом или надежностью — устанавливать отдельные сенсоры, встраивать провода или усложнять конструкцию. Морская звезда показывает другой путь: оптические свойства встроены прямо в несущую структуру, и это не ухудшает, а дополняет механику. Более того, в расчетах те же световоды еще и повышают жесткость окружающей ткани.
Такое открытие может пригодиться в разных сферах. Сейчас легкие пеноматериалы используют только для смягчения ударов и опоры. Но можно сделать упаковку, которая сообщит о перегреве или повреждении груза, или панели для самолетов, которые сами следят за своим состоянием.
Сейчас ученые изучают, как именно формируются такие структуры при росте и восстановлении скелета. Морские звезды строят свои минеральные конструкции при обычной температуре и давлении, без энергоемких печей и химических реакторов. Если удастся разгадать этот механизм, можно будет создавать умные материалы проще и дешевле, чем сейчас.
Ранее Наука Mail рассказывала о том, что в морских звездах из Арктики нашли средство против гипоксии.