Arapaima gigas - крупная рыба в большой реке, полной пираний, но это не значит, что это легкая еда. У пресноводного гиганта развилась чешуя, похожая на броню, которая может деформироваться, но не рваться и не трескаться, когда на него нападает пиранья, обладающая одним из самых сильных укусов среди животных. Исследователи из Калифорнийского университета в Сан-Диего и Калифорнийского университета в Беркли описывают уникальные свойства кожи амазонской арапаймы и ее потенциал для использования в искусственных материалах 16 октября в журнале Matter..
Адаптация Арапаймы естественным образом решает проблему, с которой сталкиваются инженеры при разработке синтетической брони. Чешуя арапаймы имеет прочный, но гибкий внутренний слой, связанный коллагеном с минерализованным внешним слоем чешуи. Точно так же пуленепробиваемые жилеты сделаны из нескольких слоев гибкой лямки, зажатой между слоями жесткого пластика. Но материалы, созданные человеком, связаны с помощью третьего клейкого материала, в то время как чешуя рыбы связана на атомарном уровне; они срастаются, сплетаясь в один сплошной кусок.
«Окно может казаться прочным и твердым, но оно не имеет прочности. Если что-то попытается проколоть его, стекло разобьется», - говорит старший автор Роберт Ритчи, материаловед из Калифорнийского университета в Беркли. «Когда природа связывает твердый материал с мягким, она сортирует его, предотвращая эффект разрушения. И в этом случае связующей структурой является минерализованный коллаген».
Другие рыбы используют коллаген, как и арапайма, но слои коллагена в чешуе арапаймы толще, чем у любых других видов рыб. Одни только чешуйки толщиной с рисовое зернышко. Соавторы Ян, Куан, Мейерс и Ричи предполагают, что эта толщина является секретом защиты рыб.
Они проверили это, замочив треснувшую чешуйку арапаймы в воде на 48 часов, а затем медленно раздвинув края, одновременно оказывая давление на центральную точку. При увеличении давления они заметили, что часть минерализованного твердого внешнего слоя расширилась, растрескалась, а затем постепенно отслаивалась. Затем чешуйки локализовали трещину, сдерживая ее и предотвращая распространение повреждения в извилистом структурном слое коллагена. Если давление действительно прорвалось к коллагену, оно деформировало слой, а не сломало его.
Если люди смогут разработать гибкую иерархическую структуру, которая ведет себя как слой коллагена в рыбьей чешуе, Ричи говорит, что можно создать лучшую, потенциально непроницаемую синтетическую броню. Но он также признает, что эта реальность может измениться через несколько лет.
До тех пор команда Ритчи будет исследовать, как чешуя арапаймы адаптировалась для предотвращения проникновения укусов пираний, а также как природа ведет себя таким образом у других видов.