سیخ و تیز به هر کجا که نگاه کنید: مکانیسم خود تیز شوندگی دندان های خارپشت دریایی

صحبت در مورد دندان در افراد اغلب با پوسیدگی، بریس و سادیست‌هایی با کت‌های سفید مرتبط است که فقط رویای ساختن مهره‌ها از دندان‌های شما را دارند. اما شوخی را کنار، زیرا بدون دندانپزشک و قوانین بهداشت دهان و دندان، ما فقط سیب زمینی له شده و سوپ را با نی می خوریم. و همه چیز مقصر تکامل است، که به ما بسیار بادوام ترین دندان ها را داد، که هنوز بازسازی نمی شوند، که احتمالاً نمایندگان صنعت دندانپزشکی را به طرز غیرقابل توصیفی خوشحال می کند. اگر در مورد دندان های نمایندگان وحشی صحبت کنیم، شیرهای باشکوه، کوسه های تشنه به خون و کفتارهای بسیار مثبت بلافاصله به ذهن می رسند. با این حال، با وجود قدرت و استحکام آرواره‌هایشان، دندان‌های آن‌ها به اندازه دندان‌های خارپشت دریایی شگفت‌انگیز نیست. بله، این گلوله سوزنی زیر آب که می توانید قسمت خوبی از تعطیلات خود را بر روی آن پا بگذارید، دندان های بسیار خوبی دارد. البته تعداد آنها زیاد نیست، فقط پنج نفر هستند، اما آنها در نوع خود منحصر به فرد هستند و می توانند خود را تیز کنند. چگونه دانشمندان چنین ویژگی را شناسایی کردند، این فرآیند دقیقا چگونه پیش می رود و چگونه می تواند به مردم کمک کند؟ از گزارش گروه پژوهشی در این باره مطلع می شویم. برو

مبنای تحقیق

اول از همه، ارزش آشنایی با شخصیت اصلی مطالعه - Strongylocentrotus fragilis، از نظر انسانی، با خارپشت دریایی صورتی است. این نوع توتیای دریایی تفاوت چندانی با سایر همتایان خود ندارد، به استثنای شکل صاف تر در قطب ها و رنگ پر زرق و برق. آنها کاملاً عمیق (از 100 متر تا 1 کیلومتر) زندگی می کنند و قطر آنها تا 10 سانتی متر می رسد.

"اسکلت" خارپشت دریایی که تقارن پنج پرتو را نشان می دهد.

خارپشت دریایی، مهم نیست که چقدر بی ادبانه به نظر می رسد، درست و نادرست است. اولی شکل بدن تقریباً کاملاً گرد با تقارن پنج پرتو مشخص دارد، در حالی که دومی نامتقارن تر است.

اولین چیزی که با دیدن خارپشت دریایی توجه شما را به خود جلب می کند لکه های آن است که تمام بدن را پوشانده است. در گونه های مختلف، سوزن ها می تواند از 2 میلی متر تا 30 سانتی متر باشد. بدن علاوه بر سوزن ها دارای اسفریدیا (ارگان های تعادل) و پدیسلاریا (فرآیندهایی شبیه فورسپس) است.

هر پنج دندان در مرکز به وضوح قابل مشاهده هستند.

برای به تصویر کشیدن خارپشت دریایی، ابتدا باید وارونه بایستید، زیرا دهانه آن در قسمت پایین بدن قرار دارد، اما سوراخ های دیگر در قسمت بالایی قرار دارد. دهان خارپشت دریایی مجهز به دستگاه جویدنی با نام علمی زیبا «فانوس ارسطو» است (این ارسطو بود که برای اولین بار این اندام را توصیف کرد و شکل آن را با یک فانوس قابل حمل عتیقه مقایسه کرد). این اندام مجهز به پنج آرواره است که هر کدام به یک دندان تیز ختم می شود (فانوس ارسطویی جوجه تیغی صورتی مورد بررسی در تصویر 1C در زیر نشان داده شده است).

این فرض وجود دارد که دوام دندان های خارپشت دریایی با تیز کردن مداوم آنها تضمین می شود که از طریق تخریب تدریجی صفحات دندانی معدنی شده برای حفظ تیزی سطح دیستال اتفاق می افتد.

اما این روند دقیقاً چگونه پیش می رود، کدام دندان ها باید تیز شوند و کدام نه و این تصمیم مهم چگونه گرفته می شود؟ دانشمندان سعی کرده‌اند پاسخی برای این سوالات پیدا کنند.

نتایج مطالعه

تصویر شماره 1

قبل از افشای اسرار دندانی خارپشت دریایی، ساختار دندان آنها را به طور کلی در نظر بگیرید.

روی تصاویر 1A-1S قهرمان مطالعه نشان داده شده است - یک خارپشت دریایی صورتی. مانند سایر خارپشت های دریایی، نمایندگان این گونه مواد معدنی خود را از آب دریا دریافت می کنند. در میان عناصر اسکلتی، دندان ها به میزان 99 درصد با کلسیت غنی شده از منیزیم معدنی شده اند.

همانطور که قبلاً گفتیم، جوجه تیغی از دندان های خود برای تراشیدن غذا استفاده می کند. اما علاوه بر این، آنها به کمک دندان های خود سوراخ هایی را برای خود حفر می کنند که در آن از شکارچیان یا آب و هوای بد پنهان می شوند. با توجه به این استفاده غیرمعمول از دندان ها، دندان دوم باید بسیار قوی و تیز باشد.

روی تصویر 1D توموگرافی میکروکامپیوتری یک بخش از یک دندان کامل نشان داده شده است، که مشخص می کند دندان در امتداد یک منحنی بیضوی با مقطع T شکل تشکیل شده است.

سطح مقطع دندان (1E) نشان می دهد که دندان از سه ناحیه ساختاری تشکیل شده است: لامینه اولیه، ناحیه جرم و لاملا ثانویه. منطقه سنگ از الیاف با قطر کوچک تشکیل شده است که توسط یک پوسته آلی احاطه شده است. الیاف در یک زمینه پلی کریستالی متشکل از ذرات کلسیت غنی از منیزیم قرار گرفته اند. قطر این ذرات حدود 10-20 نانومتر است. محققان خاطرنشان می کنند که غلظت منیزیم در کل دندان یکنواخت نیست و نزدیک به انتهای آن افزایش می یابد که باعث افزایش مقاومت در برابر سایش و سختی آن می شود.

مقطع طولی (1F) از جرم دندان تخریب الیاف و همچنین جدا شدن را نشان می دهد که به دلیل لایه برداری در سطح مشترک بین الیاف و پوسته آلی رخ می دهد.

روکش های اولیه معمولاً از تک بلورهای کلسیت تشکیل شده و روی سطح محدب دندان قرار دارند در حالی که روکش های ثانویه سطح مقعر را پر می کنند.

به تصویر کشیده شده است 1G می توان آرایه ای از صفحات اولیه منحنی را دید که به موازات یکدیگر قرار دارند. تصویر همچنین الیاف و یک ماتریس پلی کریستالی را نشان می دهد که فضای بین صفحات را پر می کند. کیل (1H) پایه مقطع T عرضی را تشکیل می دهد و سفتی خمشی دندان را افزایش می دهد.

از آنجایی که می دانیم دندان خارپشت دریایی صورتی دارای چه ساختاری است، اکنون باید خواص مکانیکی اجزای آن را دریابیم. برای این، آزمایش های فشرده سازی با استفاده از میکروسکوپ الکترونی روبشی و روش انجام شد نانو دندانه*. نمونه‌های بریده شده در امتداد جهت‌های طولی و عرضی دندان در آزمایش‌های نانومکانیکی شرکت کردند.

نانو دندانه* - بررسی مواد با روش فرورفتگی در سطح نمونه یک ابزار ویژه - فرورفتگی.

تجزیه و تحلیل داده ها نشان داد که میانگین مدول یانگ (E) و سختی (H) در نوک دندان در جهت طولی و عرضی عبارتند از: EL = 77.3 ± 4,8 GPa، HL = 4.3 ± 0.5 GPa (طولی) و ET = 70.2 ± 7.2. GPa، HT = 3,8 ± 0,6 GPa (عرضی).

مدول یانگ* - یک کمیت فیزیکی که توانایی یک ماده را برای مقاومت در برابر کشش و فشار توصیف می کند.

سختی* - خاصیت ماده برای مقاومت در برابر ورود یک جسم جامدتر (indenter).

علاوه بر این، فرورفتگی هایی در جهت طولی با بار اضافی چرخه ای ایجاد شد تا مدلی از آسیب شکل پذیر برای ناحیه سنگ ایجاد شود. بر 2A منحنی بار-جابجایی نشان داده شده است.

تصویر شماره 2

مدول برای هر چرخه بر اساس روش اولیور فار با استفاده از داده های تخلیه محاسبه شد. چرخه های فرورفتگی کاهش یکنواخت مدول را با افزایش عمق فرورفتگی نشان دادند (2V). چنین بدتر شدن سفتی با تجمع آسیب توضیح داده می شود (2C) در نتیجه تغییر شکل برگشت ناپذیر. قابل توجه است که توسعه سوم در اطراف الیاف اتفاق می افتد، و نه از طریق آنها.

خواص مکانیکی اجزای دندان نیز با استفاده از آزمایش های فشرده سازی میکروپایلار شبه استاتیک ارزیابی شد. یک پرتو یون متمرکز برای ساخت ستون‌هایی به اندازه میکرومتر استفاده شد. برای ارزیابی استحکام اتصال بین صفحات اولیه در سمت محدب دندان، ریزپایلرهایی با جهت مورب نسبت به رابط معمولی بین صفحات ساخته شد.2D). به تصویر کشیده شده است 2E یک میکروستون با رابط مایل نشان داده شده است. و در نمودار 2F نتایج اندازه گیری تنش برشی نشان داده شده است.

دانشمندان به یک واقعیت جالب توجه می کنند - مدول الاستیسیته اندازه گیری شده تقریباً نصف آزمون های فرورفتگی است. این اختلاف بین آزمون های فرورفتگی و فشرده سازی برای مینای دندان نیز مشاهده می شود. در حال حاضر، چندین نظریه وجود دارد که این اختلاف را توضیح می‌دهد (از تأثیرات محیطی در طول آزمایش‌ها تا آلودگی نمونه‌ها)، اما پاسخ روشنی برای این سؤال وجود ندارد که چرا این اختلاف رخ می‌دهد.

مرحله بعدی در مطالعه دندان های خارپشت دریایی، آزمایش های سایش بود که با استفاده از میکروسکوپ الکترونی روبشی انجام شد. دندان به یک نگهدارنده مخصوص چسبانده شد و روی بستری از الماس اولترا نانو کریستالی فشار داده شد.3A).

تصویر شماره 3

دانشمندان خاطرنشان می کنند که نسخه آزمایش سایش آنها برعکس چیزی است که معمولاً هنگام فشار دادن یک نوک الماس به زیرلایه ای از ماده مورد مطالعه انجام می شود. تغییرات در روش تست سایش به درک بهتر خواص ریزساختارها و اجزای دندان اجازه می دهد.

همانطور که در تصاویر می بینیم، زمانی که به بار بحرانی رسید، تراشه ها شروع به تشکیل می کنند. شایان ذکر است که نیروی "نیش" فانوس ارسطویی در خارپشت دریایی بسته به گونه از 1 تا 50 نیوتن متفاوت است. در آزمایش، نیرویی از صدها میکرونیوتن به 1 نیوتن اعمال شد، یعنی. از 1 تا 5 نیوتن برای کل فانوس ارسطویی (از آنجایی که پنج دندان وجود دارد).

به تصویر کشیده شده است 3B(i) ذرات کوچک (فلش قرمز) قابل مشاهده است که در نتیجه سایش ناحیه سنگ ایجاد شده است. با ساییدگی و انقباض ناحیه سنگ، ترک‌ها در سطح مشترک بین صفحات می‌توانند به دلیل بارگذاری فشاری-برشی و ایجاد تنش در ناحیه صفحات کلسیتی ایجاد و منتشر شوند. عکس های فوری 3B(ii) и 3B(iii) مکان هایی را نشان می دهد که قطعات شکسته شده اند.

برای مقایسه، دو نوع آزمایش سایش انجام شد: با بار ثابت مربوط به شروع تسلیم (WCL) و با بار ثابت مربوط به قدرت تسلیم (WCS). در نتیجه، دو نوع سایش دندان به دست آمد.

فیلم تست پوشیدن:

مرحله I

مرحله دوم

مرحله III

مرحله IV

در مورد بار ثابت در تست WCL، فشرده سازی ناحیه مشاهده شد، اما هیچ تراشه یا آسیب دیگری به صفحات مشاهده نشد.4A). اما در آزمایش WCS، زمانی که نیروی نرمال برای ثابت نگه داشتن ولتاژ تماس اسمی افزایش یافت، بریدگی و افتادن از صفحات مشاهده شد.4V).

تصویر شماره 4

این مشاهدات توسط طرح (4S) اندازه گیری سطح فشرده سازی و حجم صفحات خرد شده بسته به طول لغزش (نمونه روی الماس در طول آزمایش).

این نمودار همچنین نشان می دهد که در مورد WCL هیچ تراشه ای تشکیل نمی شود حتی اگر فاصله لغزش بیشتر از مورد WCS باشد. بازرسی صفحات فشرده و تراشه شده برای 4V به شما امکان می دهد مکانیسم خود تیز شدن دندان های خارپشت دریایی را بهتر درک کنید.

مساحت ناحیه فشرده سنگ با جدا شدن صفحه افزایش می یابد و باعث می شود بخشی از ناحیه فشرده برداشته شود. [4B(iii-v)]. ویژگی های ریزساختاری مانند پیوند بین سنگ و اسلب این فرآیند را تسهیل می کند. میکروسکوپ نشان داده است که الیاف موجود در جرم خم شده و از طریق لایه های صفحات در قسمت محدب دندان نفوذ می کنند.

روی نمودار 4S هنگامی که صفحه جدید از دندان جدا می شود، حجم ناحیه برش خورده جهش پیدا می کند. جالب است که در همان لحظه کاهش شدیدی در عرض ناحیه اریب وجود دارد (4D) که نشان دهنده روند خود تیز شدن است.

به بیان ساده، این آزمایش‌ها نشان داده‌اند که در حین حفظ یک بار نرمال (نه بحرانی) ثابت در طول آزمایش‌های سایش، نوک آن صاف می‌شود، در حالی که دندان تیز باقی می‌ماند. معلوم می شود که دندان های جوجه تیغی در حین استفاده تیز می شوند، اگر بار از حد بحرانی تجاوز نکند، در غیر این صورت ممکن است آسیب (تراشه) رخ دهد و تیز نشود.

تصویر شماره 5

به منظور درک نقش ریزساختارهای دندان، خواص آنها و سهم آنها در مکانیزم خود تیز شوندگی، یک تحلیل غیرخطی اجزای محدود فرآیند سایش انجام شد.5A). برای انجام این کار، تصاویری از یک بخش طولی از نوک دندان استفاده شد که به عنوان مبنایی برای یک مدل دو بعدی متشکل از سنگ، صفحات، کیل و رابط بین صفحات و سنگ استفاده شد.

تصاویر 5B-5H نمودارهای کانتوری معیار میزس (معیار پلاستیسیته) در لبه ناحیه سنگ و دال هستند. هنگامی که یک دندان فشرده می شود، جرم دچار تغییر شکل های ویسکوپلاستیک بزرگ می شود، آسیب جمع می شود و منقبض می شود ("صاف می شود") (5B и 5C). فشرده سازی بیشتر باعث ایجاد یک نوار برشی در سنگ می شود، جایی که بیشتر تغییر شکل و آسیب پلاستیک جمع می شود، بخشی از سنگ را پاره می کند و آن را در تماس مستقیم با زیرلایه قرار می دهد.5D). چنین تکه تکه شدن سنگ در این مدل با مشاهدات تجربی مطابقت دارد (تکه‌های تقسیم شده روی 3B(i)). فشرده سازی همچنین منجر به لایه برداری بین صفحات می شود زیرا عناصر رابط تحت بارگذاری مخلوط قرار می گیرند که منجر به جداشدگی (لایه برداری) می شود. با افزایش سطح تماس، تنش های تماس افزایش می یابد و باعث شروع و انتشار یک ترک در سطح مشترک می شود.5B-5E). از دست دادن چسبندگی بین صفحات، پیچ خوردگی را تقویت می کند، که باعث جدا شدن صفحه بیرونی می شود.

خراشیدگی آسیب رابط را تشدید می کند که منجر به برداشتن صفحه در هنگام شکافتن صفحه(ها) می شود (جایی که ترک ها از سطح مشترک منحرف می شوند و به صفحه نفوذ می کنند). 5G). با ادامه روند، تکه‌های پلیت از نوک دندان جدا می‌شوند.5H).

جالب است که شبیه سازی به طور بسیار دقیق تراشه را در هر دو منطقه سنگ و صفحه پیش بینی می کند، که دانشمندان قبلاً در طول مشاهدات متوجه شده اند.3B и 5I).

برای آشنایی دقیق تر با تفاوت های ظریف مطالعه، توصیه می کنم نگاه کنید دانشمندان گزارش می دهند и مواد اضافی به او.

خاتمه

این کار یک بار دیگر تأیید کرد که تکامل خیلی از دندان های انسان حمایت نمی کند. به طور جدی، دانشمندان در مطالعه خود توانستند مکانیسم خود تیز شدن دندان های خارپشت دریایی را که بر اساس ساختار غیرمعمول دندان و بار صحیح روی آن است، به طور دقیق بررسی و توضیح دهند. صفحاتی که دندان جوجه تیغی را می پوشانند تحت یک بار مشخص پوسته می شوند که به شما امکان می دهد دندان را تیز نگه دارید. اما این بدان معنا نیست که خارپشت دریایی می تواند سنگ ها را خرد کند، زیرا هنگامی که شاخص های بار بحرانی به دست می آیند، ترک ها و براده ها روی دندان ها ایجاد می شود. به نظر می رسد که اصل "قدرت وجود دارد، هیچ ذهنی لازم نیست" مطمئناً هیچ سودی نخواهد داشت.

شاید بتوان تصور کرد که مطالعه دندان های ساکنان اعماق دریا، جز ارضای کنجکاوی سیری ناپذیر انسان، سودی برای انسان ندارد. با این حال، دانش به‌دست‌آمده در طول این مطالعه می‌تواند به‌عنوان پایه‌ای برای ایجاد انواع جدیدی از مواد باشد که دارای خواصی مشابه دندان‌های جوجه تیغی هستند - مقاومت در برابر سایش، خود تیز شدن در سطح مواد بدون کمک خارجی و دوام.

به هر حال، طبیعت اسرار بسیاری دارد که ما هنوز آنها را فاش نکرده ایم. آیا آنها مفید خواهند بود؟ شاید بله، شاید نه. اما گاهی اوقات، حتی در پیچیده ترین تحقیقات، گاهی اوقات مقصد مهم نیست، بلکه خود سفر مهم است.

جمعه آف تاپ:

جنگل های زیر آب جلبک های غول پیکر به عنوان محل تجمع خارپشت های دریایی و دیگر ساکنان غیر معمول اقیانوس ها عمل می کنند. (بی بی سی ارث، صداپیشگی - دیوید آتنبرو).

از تماشای شما متشکریم، کنجکاو بمانید و آخر هفته خوبی داشته باشید! 🙂

از اینکه با ما ماندید متشکرم آیا مقالات ما را دوست دارید؟ آیا می خواهید مطالب جالب تری ببینید؟ با ثبت سفارش یا معرفی به دوستان از ما حمایت کنید 30٪ تخفیف برای کاربران Habr در آنالوگ منحصر به فرد سرورهای سطح ورودی که توسط ما برای شما اختراع شده است: تمام حقیقت در مورد VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 Cores) 10GB DDR4 240GB SSD 1Gbps از 20 دلار یا چگونه سرور را به اشتراک بگذاریم؟ (در دسترس با RAID1 و RAID10، حداکثر 24 هسته و حداکثر 40 گیگابایت DDR4).

Dell R730xd 2 برابر ارزان تر است؟ فقط اینجا 2 x Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 TV از 199 دلار در هلند! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - از 99 دلار! در مورد بخوانید نحوه ساخت شرکت زیرساخت کلاس با استفاده از سرورهای Dell R730xd E5-2650 v4 به ارزش 9000 یورو برای یک پنی؟

منبع: www.habr.com