Parlà di i denti in e persone hè più spessu assuciatu cù carie, brace è sadisti in mantellu bianchi chì sò solu di sognu di fà perle da i vostri denti. Ma i scherzi à parte, perchè senza dentisti è regule d'igiene orale stabilite, manghjemu solu patate triturate è zuppa à traversu una paglia. È tuttu hè culpèvule per l'evoluzione, chì ci hà datu luntanu da i denti più durable, chì ùn anu micca rigenerate, chì probabilmente indescrivibilmente piace à i rapprisintanti di l'industria dentale. Se parlemu di i denti di i rapprisintanti di a natura salvatica, allora leoni maestosi, squali sanguinarii è iena estremamente pusitivi venenu immediatamente in mente. In ogni casu, malgradu u putere è a forza di e so mandibula, i so denti ùn sò micca stupenti cum'è quelli di i ricci di mare. Iè, sta bola d'agulla sottu à l'acqua, pisendu nantu à quale pudete arruvinà una bona parte di e vostre vacanze, hà denti abbastanza boni. Di sicuru, ùn ci sò micca assai di elli, solu cinque, ma sò unichi in u so modu è sò capaci di affruntà. Cumu i scientisti identificanu una tale funzione, cumu si procede esattamente stu prucessu è cumu pò aiutà à e persone? Amparamu nantu à questu da u rapportu di u gruppu di ricerca. Vai.
Basi di ricerca
Prima di tuttu, vale a pena cunnosce u caratteru principale di u studiu - Strongylocentrotus fragilis, in termini umani, cù un ricci di mare rosa. Stu tipu d'urchin di mare ùn hè micca assai sfarente di i so altri contraparti, cù l'eccezzioni di una forma più appiatta à i poli è un culore glamorous. Abitanu abbastanza prufonda (da 100 m à 1 km), è crescenu à 10 cm di diametru.
U "scheletru" di un ricciu di mare, chì mostra a simmetria di cinque raghji.
I ricci di mare sò, ùn importa micca quantu rude pò sona, ghjustu è sbagliatu. I primi anu una forma di corpu quasi perfettamenti tonda cù una simetria di cinque fasciu pronunciata, mentri l'ultimi sò più asimmetrici.
A prima cosa chì chjappà l'ochju quandu vi vede un ricciu di mare hè i so picchi chì coprenu tuttu u corpu. In diverse spezie, l'agulla pò esse da 2 mm à 30 cm. In più di l'agulla, u corpu hà spheridia (organi di equilibriu) è pedicellaria (processi chì s'assumiglia à forceps).
Tutti i cinque denti sò chjaramente visibili in u centru.
Per rapprisintà un urchin di mare, avete prima bisognu à stà à l'inversu, postu chì a so apertura di bocca si trova nantu à a parti inferjuri di u corpu, ma l'altri buchi sò nantu à a cima. A bocca di i ricci di mare hè furnutu cù un apparatu di masticazione cù un bellu nome scientificu "A lanterna d'Aristotele" (era Aristòtili chì hà descrittu per prima stu organu è paragunò in forma cù una lanterna portatile antica). Stu urganu hè furnutu cù cinque mandibula, chì ognuna finisci in un dente affilatu (a lanterna aristotelica di u ricciu rosa investigatu hè mostrata in a stampa 1C sottu).
Ci hè una supposizione chì a durabilità di i denti di i ricci di mare hè assicurata da u so sharpening constantu, chì si trova per via di a distruzzioni graduali di i platti di denti mineralizzati per mantene a sharpness di a superficia distale.
Ma cumu si prucede esattamente stu prucessu, chì i denti deve esse affilati è quale micca, è cumu hè fatta sta decisione impurtante? I scientisti anu pruvatu à truvà risposte à queste dumande.
Risultati di ricerca
Image #1
Prima di revelà i sicreti dentali di i ricci di mare, cunzidira a struttura di i so denti in generale.
Nantu à i ritratti 1A-1С l'eroi di u studiu hè mostratu - un ricci di mare rosa. Cum'è l'altri ricci di mare, i rapprisentanti di sta spezia piglianu i so cumpunenti minerali da l'acqua di mare. Trà l'elementi scheletali, i denti sò assai mineralizzati (da 99%) cù calcite arricchitu di magnesiu.
Cumu avemu discututu prima, i ricci utilizanu i so denti per scraping food. Ma in più di questu, cù l'aiutu di i so denti, scavanu fori per elli stessi, in quale si piattanu da i predatori o u malu tempu. Data stu usu inusual di i denti, l'ultimi deve esse estremamente forte è forte.
Nantu à l'imaghjini 1D A tomografia microcomputed di un segmentu di un dente sanu hè mostratu, facendu chjaru chì u dente hè furmatu longu una curva ellittica cù una sezione trasversale in forma di T.
Sezione trasversale di u dente (1E) mostra chì u dente hè cumpostu di trè regioni strutturale: lamine primariu, regione di calculus è lamellae secundaria. A zona di petra hè custituita da fibri di diametru chjucu, circundatu da una cunchiglia organica. I fibri sò incrustati in una matrice policristallina composta da particelle di calcite ricche di magnesiu. U diamitru di sti particeddi hè circa 10-20 nm. I circadori nutari ca la cuncintrazzioni di magnesiu ùn hè micca uniformi in tuttu u dente è cresce più vicinu à a so fine, chì furnisce a so resistenza à l'usura aumentata è a durezza.
Sezione longitudinale (1F) di u calculu di u dente mostra a distruzzione di e fibri, è ancu a siparazione, chì si trova per via di delaminazione à l'interfaccia trà e fibre è a cunchiglia organica.
I veneers primari sò generalmente cumposti di cristalli unichi di calcite è si trovanu nantu à a superficia cunvexa di u dente, mentre chì i veneers secundarii riempianu a superficia cuncave.
Ritrattu 1G si pò vede un array di platti primari curve chì si trovanu paralleli à l'altri. L'imaghjini mostra ancu fibri è una matrice policristallina chì riempia u spaziu trà i platti. chiglia (1H) forma a basa di a sezione T transversale è aumenta a rigidità di curvatura di u dente.
Siccomu sapemu chì struttura hà u dente di l'urchinu di mare rosa, avemu avà bisognu di scopre e proprietà meccaniche di i so cumpunenti. Per questu, i testi di compressione sò stati realizati cù un microscopiu elettronicu à scanning è u metudu nanoindentazione*. I campioni tagliati longu l'orientazione longitudinale è trasversale di u dente anu participatu à e teste nanomeccaniche.
Nanoindentation* - verificate u materiale da u metudu di indentazione in a superficia di a mostra di un strumentu speciale - l'indenter.
L'analisi di dati hà dimustratu chì u modulu di Young mediu (E) è a durezza (H) à a punta di i denti in a direzzione longitudinale è transversale sò: EL = 77.3 ± 4,8 GPa, HL = 4.3 ± 0.5 GPa (longitudinale) è ET = 70.2 ± 7.2. GPa, HT = 3,8 ± 0,6 GPa (transverse).
Modulu di Young* - una quantità fisica chì descrive a capacità di un materiale per resiste à a tensione è a compressione.
durezza* - a pruprietà di u materiale per resiste à l'intruduzioni di un corpu più solidu (indenter).
Inoltre, i depressioni sò stati fatti in a direzzione longitudinale cù una carica supplementu ciclicu per creà un mudellu di danni duttili per a zona di petra. On 2A a curva carica-spostamento hè mostrata.
Image #2
U modulu per ogni ciculu hè statu calculatu basatu annantu à u metudu Oliver-Farr cù dati di scaricamentu. I cicli di indentazione anu mostratu una diminuzione monotonica di u modulu cù a prufundità di indentazione crescente (2B). Un tali deterioramentu di a rigidità hè spiegatu da l'accumulazione di danni (2C) cum'è u risultatu di deformazione irreversibile. Hè nutate chì u sviluppu di u terzu si trova intornu à i fibri, è micca per elli.
E proprietà meccaniche di i custituenti di i denti sò stati ancu valutati cù esperimenti di compressione quasi-static micropillar. Un fasciu di ioni focalizatu hè stata utilizata per fabricà pilastri di dimensioni micrometriche. Per valutà a forza di a cunnessione trà i platti primari nantu à u latu cunvessu di u dente, i micropillars sò stati fabbricati cù una orientazione oblicu relative à l'interfaccia normale trà i platti (2D). Ritrattu 2E una microcolumna cù una interfaccia inclinata hè mostrata. È nantu à a carta 2F i risultati di a misurazione di a tensione di taglio sò mostrati.
I scientisti notanu un fattu interessante - u modulu misuratu di l'elasticità hè quasi a mità di i testi di indentazione. Questa discrepanza trà i testi di indentazione è di compressione hè ancu nutata per l'esmalte dentale. À u mumentu, ci sò parechje teorii chì spieganu sta discrepanza (da l'influenzi ambientali durante e teste à a contaminazione di i campioni), ma ùn ci hè una risposta chjara à a quistione di perchè a discrepanza si trova.
U passu prossimu in u studiu di i denti di l'urchin di mare hè stata pruvucazione di usu realizatu cù un microscopiu elettronicu à scanning. U dente hè stata colata à un supportu speciale è pressatu contru à un sustrato di diamante ultrananocristallino (3A).
Image #3
I scientisti notanu chì a so versione di a prova di usura hè u cuntrariu di ciò chì hè generalmente fattu quandu una punta di diamante hè pressata in un sustrato di u materiale studiatu. I cambiamenti in a metodulugia di prova di usura permettenu una megliu comprensione di e proprietà di e microstrutture è i cumpunenti di i denti.
Comu pudemu vede in i ritratti, quandu a carica critica hè ghjunta, i chips cumincianu à furmà. Hè vale a pena cunsiderà chì a forza di a "muzzicata" di a lanterna aristotelica in i ricci di mare varieghja secondu a spezia da 1 à 50 newtons. In a prova, una forza da centinaie di micronewtons à 1 newton hè stata applicata, i.e. da 1 à 5 newtons per tutta a lanterna aristotelica (poi ci sò cinque denti).
Ritrattu 3B(i) picculi particeddi (freccia rossa) sò visibili, furmati com'è u risultatu di l'usura di a zona di petra. Cume l'area di petra s'usra è si cuntratta, i cracke à l'interfaccia trà e placche ponu urigginari è propagate per via di a carica di compressione-shear è di l'accumulazione di stress in l'area di e placche di calcite. Istantanee 3B(ii) и 3B(iii) mostra i lochi induve i frammenti si rumpianu.
Per paragunà, sò stati realizati dui tipi di esperimenti di usura: cù una carica constante chì currisponde à l'iniziu di u rendiment (WCL) è cun una carica constante chì currisponde à a forza di rendiment (WCS). In u risultatu, duie varianti di usu di denti sò stati ottenuti.
Video di prova di usu:
Stade I
Stage II
Stage III
Stage IV
In u casu di una carica constante in a prova WCL, a compressione di l'area hè stata osservata, in ogni modu, ùn si n'hè nutatu micca schelettu o altri danni à i platti (4A). Ma in a prova WCS, quandu a forza nurmale hè stata aumentata per mantene a tensione nominale di u cuntattu constantu, s'hè osservatu chipping è caduta fora di i piatti (4B).
Image #4
Queste osservazioni sò cunfirmate da a trama (4С) misurazioni di l'area di compressione è u voluminu di i platti scheppati secondu a lunghezza di scorrimentu (mostra sopra diamante durante a prova).
Stu graficu mostra ancu chì in u casu di WCL ùn ci hè micca forma di chips ancu s'è a distanza di sliding hè più grande ch'è in u casu di WCS. Ispezione di piastre compresse è scheggiate per 4B permette à voi à capisce megliu u miccanisimu di self-sharpening di i denti ricci di mare.
L'area di l'area cumpressa di a petra aumenta cum'è a piastra si rompe, facendu chì parte di l'area compressa sia eliminata. [4B(iii-v)]. E caratteristiche microstrutturali cum'è u ligame trà a petra è e lastre facilitanu stu prucessu. A microscopia hà dimustratu chì i fibri in u calculu sò piegati è penetranu à traversu i strati di platti in a parti cunvexa di u dente.
Nantu à a carta 4С ci hè un saltu in u voluminu di l'area chipped quandu a nova piastra hè staccata da u dente. Hè curiosu chì in u stessu mumentu ci hè una forte diminuzione in a larghezza di a regione oblate (4D), chì indica u prucessu di self-sharpening.
Bastamente, sti esperimenti anu dimustratu chì mentre mantene una carica normale (micca critica) durante e teste di usura, a punta diventa smussata, mentre chì u dente ferma forte. Risulta chì i denti di i ricci sò sharpened durante l'usu, se a carica ùn supera micca quella critica, altrimenti danni (chips) ponu accade, è micca sharpening.
Image #5
Per capisce u rolu di e microstrutture dentali, e so proprietà è a so cuntribuzione à u mecanismu d'auto-affilatura, hè stata realizata un'analisi di elementi finiti non lineari di u prucessu di usura.5A). Per fà questu, l'imaghjini di una seccione longitudinale di a punta di u dente sò stati utilizati, chì serve com'è a basa per un mudellu bidimensionale custituitu da petra, platti, chiglia è interfacce trà i platti è a petra.
Images 5B-5H sò trama di cuntorni di u criteriu Mises (criteriu di plasticità) à u bordu di l'area di petra è lastra. Quandu un dente hè cumpressu, u calculus subisce grandi deformazioni viscoplastiche, accumula danni è si riduce ("appiattisci") (5B и 5C). A cumpressione più induce induce una banda di cisura in a petra, induve a maiò parte di a deformazione plastica è u dannu s'accumula, strappandu una parte di a petra, purtendu in cuntattu direttu cù u sustrato (5D). Tale frammentazione di a petra in stu mudellu currisponde à l'osservazioni sperimentali (frammenti divisi nantu 3B(i)). A cumpressione risulta ancu in delaminazione trà i platti cum'è l'elementi di l'interfaccia sò sottumessi à una carica mista chì risulta in decohesion (peeling). Quandu l'area di cuntattu aumenta, i stress di cuntattu aumentanu, pruvucannu l'iniziu è a propagazione di una crepa à l'interfaccia (5B-5E). A perdita di l'aderenza trà i platti rinforza u kink, chì face chì a piastra esterna si disimpegna.
U graffiu aggrava i danni à l'interfaccia chì risultanu in a rimozione di a piastra quandu a (s) piastra (s) sottumettenu a scissione (induve fissure sviate da l'interfaccia è penetranu in a piastra, 5G). Quandu u prucessu cuntinueghja, i frammenti di u platu sò staccati da a punta di u dente (5H).
Hè curiosu chì a simulazione predice assai accuratamente l'escagliatura in e regioni di petra è di placca, chì i scientisti anu digià nutatu durante l'osservazioni (3B и 5I).
Per una cunniscenza più dettagliata di e sfumature di u studiu, vi cunsigliu di guardà и à ellu.
Epilogue
Stu travagliu una volta hà cunfirmatu chì l'evoluzione ùn era micca assai sustegnu di i denti umani. Seriu, in u so studiu, i scientisti anu sappiutu esaminà in dettagliu è spiegà u miccanisimu di l'auto-sharpening di i denti di i ricci di mare, chì hè basatu annantu à a struttura inusual di u dente è a carica curretta nantu à questu. I platti chì coprenu u dente di riccio sbuccianu sottu à una certa carica, chì vi permette di mantene u dente sharp. Ma questu ùn significa micca chì i ricci di mare ponu sfracicà e petre, perchè quandu l'indicatori critichi di carica sò righjunti, crack and chips formate nantu à i denti. Risulta chì u principiu "ci hè u putere, ùn ci hè micca bisognu di mente" certamenti ùn porta micca alcun benefiziu.
Si pò pinsà chì u studiu di i denti di l'abitanti di u mare prufondu ùn porta nisun benefiziu à l'omu, fora di a satisfaczione di a curiosità umana insaziabile. In ogni casu, a cunniscenza acquistata durante stu studiu pò serve com'è a basa per a creazione di novi tipi di materiali chì anu proprietà simili à i denti di i ricci - resistenza à l'usura, auto-sharpening à u livellu materiale senza assistenza esterna, è durabilità.
Sia com'è, a natura detene parechji sicreti chì avemu ancu revelatu. Seranu utili ? Forse sì, forse micca. Ma qualchì volta, ancu in a ricerca più cumplessa, qualchì volta ùn hè micca a destinazione chì importa, ma u viaghju stessu.
Venneri off-top:
I boschi sottumarini di alghe giganti servenu cum'è un locu di riunione per i ricci di mare è altri abitanti di l'oceani inusual. (BBC Earth, voce off - David Attenborough).
Grazie per vede, restate curiosi è bon weekend à tutti ! 🙂
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Source: www.habr.com