Морской червь Perinereis cultrifera существует с древних времён и сохранился до наших дней. Его челюсти трудно отнести только к животной ткани или минеральному материалу: они состоят из структурных белков и ионов, придающих им необычные механические свойства.
Как и другие хищные многощетинковые черви, Perinereis cultrifera использует твёрдые челюсти, чтобы кусать, дробить и поедать пищу. Из-за их состава и поведения исследователи предложили новый термин — «биометаллы».
Раньше вещества биологического происхождения, напоминающие металлы по прочности или электрической проводимости, называли металлоподобными биоматериалами. Однако понятие биометалла имеет более точное значение.
Учёные предлагают определять такие материалы по трём главным признакам: твёрдости, реакции на деформацию и особой структуре, которую образуют белки вместе с ионами.
Исследователи из Венского технического университета и Венского университета изучили челюсти морского червя, чтобы понять, чем они отличаются от других природных материалов. Результаты работы опубликованы в журнале Biophysics Reviews.
Сначала специалисты измерили твёрдость челюстей с помощью наноиндентирования. При этом в материал на микроскопическом уровне вдавливают специальный наконечник. Испытания дополнили химическим анализом и подробными изображениями структуры.
Результаты подтвердили прежние наблюдения: на концах челюстей содержится больше ионов металлов, чем в центральной части. Вероятно, именно это делает кончики более твёрдыми и приспособленными для укусов и дробления пищи.
Затем исследователи проверили материал при разной глубине вдавливания. Челюсти проявили эффект, который встречается у таких металлов, как медь и серебро: чем меньше исследуемая область, тем труднее оставить на ней вмятину.
Это явление называют размерным эффектом наноиндентирования Никса — Гао. В крошечных участках материала резкие перепады деформации усиливают взаимодействие дефектов в его атомной структуре, из-за чего сопротивление вдавливанию возрастает.
Однако челюсти червя ведут себя не совсем как обычные металлы. Их упругость также зависит от размера исследуемого участка. По словам учёных, именно эта особенность отличает биометаллы от стандартных кристаллических металлов вроде меди или серебра.
Исследователи использовали математические модели, чтобы объяснить необычное поведение материала на атомном уровне. Тем не менее изучение биометаллов находится лишь на начальной стадии.
В дальнейшем специалисты планируют исследовать челюсти других видов, расширить экспериментальную базу и уточнить теоретическую модель. Они также хотят понять, как генетические изменения могут влиять на свойства подобных природных материалов.
Учёные надеются, что изучение таких структур поможет лучше понять принципы, с помощью которых природа создаёт прочные и сложно устроенные материалы.
