Berbicara tentang gigi pada orang paling sering dikaitkan dengan karies, kawat gigi, dan sadis berjas putih yang hanya bermimpi membuat manik-manik dari gigi. Tapi selain bercanda, karena tanpa dokter gigi dan aturan kebersihan mulut yang ditetapkan, kita hanya akan makan kentang tumbuk dan sup melalui sedotan. Dan semuanya harus disalahkan atas evolusi, yang memberi kita jauh dari gigi yang paling tahan lama, yang masih belum bisa beregenerasi, yang mungkin sangat menyenangkan para perwakilan industri gigi. Jika kita berbicara tentang gigi perwakilan alam liar, maka singa yang agung, hiu yang haus darah, dan hyena yang sangat positif segera terlintas dalam pikiran. Namun, meski rahangnya kuat dan kuat, gigi mereka tidak sehebat bulu babi. Ya, bola jarum di bawah air ini, yang jika diinjak dapat merusak sebagian besar liburan Anda, memiliki gigi yang cukup bagus. Memang jumlahnya tidak banyak, hanya lima, namun mereka memiliki keunikan tersendiri dan mampu mengasah diri. Bagaimana para ilmuwan mengidentifikasi fitur seperti itu, bagaimana sebenarnya proses ini berlangsung dan bagaimana hal ini dapat membantu manusia? Kami mempelajari hal ini dari laporan kelompok riset. Pergi.
Dasar penelitian
Pertama-tama, ada baiknya mengenal karakter utama penelitian ini - Strongylocentrotus fragilis, dalam istilah manusia, dengan bulu babi berwarna merah muda. Bulu babi jenis ini tidak jauh berbeda dengan bulu babi lainnya, hanya saja bentuknya lebih pipih di bagian kutub dan warnanya glamor. Mereka hidup cukup dalam (dari 100 m hingga 1 km), dan diameternya mencapai 10 cm.
"Kerangka" bulu babi, yang menunjukkan simetri lima sinar.
Landak laut, betapapun kasarnya kedengarannya, benar dan salah. Yang pertama memiliki bentuk tubuh yang hampir bulat sempurna dengan simetri lima balok yang jelas, sedangkan yang kedua lebih asimetris.
Hal pertama yang menarik perhatian Anda saat melihat bulu babi adalah durinya yang menutupi seluruh tubuhnya. Pada spesies yang berbeda, jarumnya bisa berukuran 2 mm sampai 30 cm, selain jarum, tubuhnya juga memiliki spheridia (organ keseimbangan) dan pedicellaria (proses yang menyerupai tang).
Kelima gigi terlihat jelas di tengah.
Untuk menggambarkan bulu babi, pertama-tama Anda harus berdiri terbalik, karena bukaan mulutnya terletak di badan bagian bawah, tetapi lubang lainnya ada di bagian atas. Mulut bulu babi dilengkapi dengan alat pengunyah dengan nama ilmiah yang indah "lentera Aristoteles" (Aristoteleslah yang pertama kali mendeskripsikan organ ini dan membandingkan bentuknya dengan lentera portabel antik). Organ ini dilengkapi dengan lima rahang, yang masing-masing berakhir dengan gigi tajam (lentera Aristotelian dari landak merah muda yang diteliti ditunjukkan pada gambar 1C di bawah).
Ada asumsi bahwa daya tahan gigi bulu babi dipastikan dengan penajamannya yang konstan, yang terjadi melalui penghancuran bertahap pelat gigi yang termineralisasi untuk menjaga ketajaman permukaan distal.
Namun bagaimana sebenarnya proses ini berlangsung, gigi mana yang perlu diasah dan mana yang tidak, dan bagaimana keputusan penting ini diambil? Para ilmuwan telah mencoba menemukan jawaban atas pertanyaan-pertanyaan ini.
Hasil penelitian
Gambar #1
Sebelum mengungkap rahasia gigi bulu babi, perhatikan struktur giginya secara umum.
Di gambar 1Π-1S pahlawan penelitian ini ditampilkan - bulu babi berwarna merah muda. Seperti bulu babi lainnya, perwakilan spesies ini memperoleh komponen mineralnya dari air laut. Di antara elemen kerangka, gigi sangat termineralisasi (sebesar 99%) dengan kalsit yang diperkaya magnesium.
Seperti yang telah kita bahas sebelumnya, landak menggunakan giginya untuk mengikis makanan. Namun selain itu, dengan bantuan giginya, mereka menggali lubang untuk diri mereka sendiri, tempat mereka bersembunyi dari pemangsa atau cuaca buruk. Mengingat penggunaan gigi yang tidak biasa ini, gigi tersebut harus sangat kuat dan tajam.
Pada gambar 1D tomografi mikrokomputer dari satu segmen seluruh gigi ditampilkan, memperjelas bahwa gigi terbentuk sepanjang kurva elips dengan penampang berbentuk T.
Penampang gigi (1Π) menunjukkan bahwa gigi terdiri dari tiga wilayah struktural: lamina primer, wilayah kalkulus, dan lamela sekunder. Area batunya terdiri dari serat-serat berdiameter kecil yang dikelilingi cangkang organik. Serat tersebut terbungkus dalam matriks polikristalin yang terdiri dari partikel kalsit yang kaya magnesium. Diameter partikel ini sekitar 10-20 nm. Para peneliti mencatat bahwa konsentrasi magnesium tidak seragam di seluruh gigi dan meningkat mendekati ujungnya, sehingga meningkatkan ketahanan aus dan kekerasan.
Bagian memanjang (1F) kalkulus gigi menunjukkan rusaknya serat, serta pemisahan yang terjadi akibat delaminasi pada antarmuka antara serat dan cangkang organik.
Veneer primer biasanya tersusun dari kristal tunggal kalsit dan terletak pada permukaan cembung gigi, sedangkan veneer sekunder mengisi permukaan cekung.
Dalam gambar 1G kita dapat melihat susunan pelat primer melengkung yang terletak sejajar satu sama lain. Gambar juga menunjukkan serat dan matriks polikristalin mengisi ruang di antara pelat. lunas (1H) membentuk dasar penampang T melintang dan meningkatkan kekakuan lentur gigi.
Karena kita telah mengetahui struktur gigi bulu babi merah muda, sekarang kita perlu mengetahui sifat mekanik komponen-komponennya. Untuk ini, uji kompresi dilakukan dengan menggunakan mikroskop elektron pemindaian dan metodenya lekukan nano*. Sampel yang dipotong sepanjang orientasi gigi memanjang dan melintang berpartisipasi dalam uji nanomekanis.
Indentasi nano* β pemeriksaan bahan dengan metode lekukan ke permukaan sampel dengan alat khusus β indentor.
Analisis data menunjukkan rata-rata modulus Young (E) dan kekerasan (H) ujung gigi pada arah memanjang dan melintang adalah: EL = 77.3 Β± 4,8 GPa, HL = 4.3 Β± 0.5 GPa (longitudinal) dan ET = 70.2 Β± 7.2 IPK, HT = 3,8 Β± 0,6 GPa (melintang).
Modulus Young* - besaran fisis yang menggambarkan kemampuan suatu material untuk menahan tegangan dan kompresi.
Kekerasan* - sifat material untuk menahan masuknya benda yang lebih padat (indentor).
Selain itu, dibuat cekungan dalam arah memanjang dengan beban tambahan siklik untuk membuat model kerusakan ulet pada area batu. Pada 2Π kurva beban-perpindahan ditampilkan.
Gambar #2
Modulus setiap siklus dihitung berdasarkan metode Oliver-Farr dengan menggunakan bongkar data. Siklus lekukan menunjukkan penurunan modulus yang monoton dengan bertambahnya kedalaman lekukan (2V). Penurunan kekakuan ini disebabkan oleh akumulasi kerusakan (2C) sebagai akibat dari deformasi ireversibel. Patut dicatat bahwa perkembangan ketiga terjadi di sekitar serat, dan bukan melalui serat.
Sifat mekanik dari konstituen gigi juga dinilai menggunakan eksperimen kompresi mikropillar kuasi-statis. Sinar ion terfokus digunakan untuk membuat pilar berukuran mikrometer. Untuk menilai kekuatan sambungan antara pelat primer pada sisi cembung gigi, mikropilar dibuat dengan orientasi miring relatif terhadap antarmuka normal antar pelat (2D). dalam foto 2Π mikrokolom dengan antarmuka miring ditampilkan. Dan di grafik 2F hasil pengukuran tegangan geser ditampilkan.
Para ilmuwan mencatat fakta menarik - modulus elastisitas yang diukur hampir setengah dari tes lekukan. Perbedaan antara uji lekukan dan kompresi juga terjadi pada email gigi. Saat ini, terdapat beberapa teori yang menjelaskan perbedaan tersebut (mulai dari pengaruh lingkungan selama pengujian hingga kontaminasi sampel), namun belum ada jawaban yang jelas atas pertanyaan mengapa perbedaan tersebut terjadi.
Langkah selanjutnya dalam studi gigi bulu babi adalah uji keausan yang dilakukan dengan menggunakan mikroskop elektron scanning. Gigi direkatkan pada dudukan khusus dan ditekan pada substrat berlian ultrananokristalin (3Π).
Gambar #3
Para ilmuwan mencatat bahwa uji keausan versi mereka adalah kebalikan dari apa yang biasanya dilakukan ketika ujung berlian ditekan ke dalam substrat bahan yang diteliti. Perubahan dalam metodologi uji keausan memungkinkan pemahaman yang lebih baik tentang sifat struktur mikro dan komponen gigi.
Seperti yang bisa kita lihat pada gambar, ketika beban kritis tercapai, chip mulai terbentuk. Perlu diperhatikan bahwa kekuatan βgigitanβ lentera Aristotelian pada bulu babi bervariasi tergantung pada spesiesnya dari 1 hingga 50 newton. Dalam pengujian tersebut, gaya dari ratusan mikronewton hingga 1 newton diterapkan, mis. dari 1 hingga 5 newton untuk seluruh lentera Aristotelian (karena ada lima gigi).
Dalam gambar 3B(i) terlihat partikel-partikel kecil (panah merah), terbentuk akibat keausan pada area batu. Ketika area batu aus dan berkontraksi, retakan pada antarmuka antar pelat dapat muncul dan menyebar karena pembebanan geser tekan dan penumpukan tegangan di area pelat kalsit. Jepretan 3B(ii) ΠΈ 3B(iii) tunjukkan tempat pecahannya pecah.
Sebagai perbandingan, dua jenis percobaan keausan dilakukan: dengan beban konstan yang sesuai dengan titik leleh (WCL) dan dengan beban konstan yang sesuai dengan kekuatan luluh (WCS). Hasilnya, diperoleh dua varian keausan gigi.
Video uji pakai:
Tahap I
Tahap II
Tahap III
Tahap IV
Dalam kasus beban konstan dalam pengujian WCL, kompresi area diamati, namun tidak ada chipping atau kerusakan lain pada pelat yang terlihat (4A). Namun dalam pengujian WCS, ketika gaya normal ditingkatkan untuk menjaga tegangan kontak nominal tetap konstan, pelat terkelupas dan terlepas (4V).
Gambar #4
Pengamatan ini dikonfirmasi oleh plot (4S) pengukuran luas kompresi dan volume pelat yang terkelupas tergantung pada panjang geser (sampel di atas berlian selama pengujian).
Grafik ini juga menunjukkan bahwa dalam kasus WCL tidak ada chip yang terbentuk meskipun jarak luncurnya lebih besar dibandingkan dalam kasus WCS. Inspeksi pelat terkompresi dan terkelupas untuk 4V memungkinkan Anda untuk lebih memahami mekanisme penajaman gigi bulu babi secara mandiri.
Luas area terkompresi batu bertambah seiring dengan pecahnya pelat, menyebabkan sebagian area terkompresi tersingkir [4B(iii-v)]. Fitur mikrostruktur seperti ikatan antara batu dan lempengan memfasilitasi proses ini. Mikroskop menunjukkan bahwa serat-serat pada kalkulus membengkok dan menembus lapisan pelat di bagian cembung gigi.
Di grafik 4S terjadi lonjakan volume area yang terkelupas ketika pelat baru terlepas dari gigi. Anehnya, pada saat yang sama terjadi penurunan tajam pada lebar daerah perataan (4D), yang menunjukkan proses penajaman diri.
Sederhananya, percobaan ini menunjukkan bahwa sambil mempertahankan beban normal (tidak kritis) yang konstan selama pengujian keausan, ujungnya menjadi tumpul, sedangkan gigi tetap tajam. Ternyata gigi landak diasah saat digunakan, jika bebannya tidak melebihi beban kritis, sebaliknya dapat terjadi kerusakan (keripik), dan bukan penajaman.
Gambar #5
Untuk memahami peran struktur mikro gigi, sifat-sifatnya dan kontribusinya terhadap mekanisme penajaman sendiri, dilakukan analisis elemen hingga nonlinier dari proses keausan (5Π). Untuk melakukan ini, gambar bagian memanjang dari ujung gigi digunakan, yang menjadi dasar model dua dimensi yang terdiri dari batu, pelat, lunas, dan antarmuka antara pelat dan batu.
Gambar 5B-5H merupakan petak kontur kriteria Mises (kriteria plastisitas) pada tepi bidang batu dan lempengan. Ketika gigi dikompresi, kalkulus mengalami deformasi viskoplastik yang besar, menumpuk kerusakan dan menyusut (βmeratakanβ) (5B ΠΈ 5C). Kompresi lebih lanjut menyebabkan pita geser pada batu, tempat sebagian besar deformasi plastis dan kerusakan terakumulasi, merobek sebagian batu, menyebabkannya bersentuhan langsung dengan substrat (5D). Fragmentasi batu dalam model ini sesuai dengan pengamatan eksperimental (pecahan pecahan menjadi 3B(i)). Kompresi juga mengakibatkan delaminasi antar pelat karena elemen antarmuka terkena pembebanan campuran yang mengakibatkan dekohesi (terkelupas). Ketika area kontak meningkat, tegangan kontak meningkat, menyebabkan inisiasi dan penyebaran retakan pada antarmuka (5B-5E). Hilangnya daya rekat antar pelat memperkuat kekusutan, yang menyebabkan pelat luar terlepas.
Goresan memperburuk kerusakan antarmuka yang mengakibatkan pelepasan pelat ketika pelat mengalami pembelahan (di mana retakan menyimpang dari antarmuka dan menembus pelat, 5G). Saat proses berlanjut, pecahan pelat terlepas dari ujung gigi (5H).
Sangat mengherankan bahwa simulasi tersebut dengan sangat akurat memprediksi chipping di daerah batu dan lempeng, yang telah diperhatikan oleh para ilmuwan selama pengamatan (3B ΠΈ 5I).
Untuk kenalan yang lebih detail dengan nuansa penelitian, saya sarankan untuk melihatnya ΠΈ untuk dia.
Bagian terakhir dr suatu karya sastra
Penelitian ini sekali lagi menegaskan bahwa evolusi tidak terlalu mendukung gigi manusia. Seriusnya, dalam penelitiannya, para ilmuwan mampu mengkaji secara detail dan menjelaskan mekanisme penajaman gigi bulu babi secara mandiri, yang didasarkan pada struktur gigi yang tidak biasa dan beban yang benar pada gigi tersebut. Pelat yang menutupi gigi landak terkelupas karena beban tertentu, sehingga gigi tetap tajam. Namun bukan berarti bulu babi bisa menghancurkan batu, karena ketika indikator beban kritis tercapai, retakan dan keripik akan terbentuk pada gigi. Ternyata prinsip βada tenaga, tidak perlu pikiranβ tentu tidak membawa manfaat apa pun.
Mungkin ada yang mengira bahwa mempelajari gigi para penghuni laut dalam tidak membawa manfaat apa pun bagi manusia, kecuali pemuasan keingintahuan manusia yang tak terpuaskan. Namun, pengetahuan yang diperoleh selama penelitian ini dapat menjadi dasar untuk penciptaan jenis material baru yang memiliki sifat mirip dengan gigi landak - ketahanan aus, penajaman sendiri pada tingkat material tanpa bantuan eksternal, dan daya tahan.
Meski begitu, alam menyimpan banyak rahasia yang belum kita ungkap. Apakah mereka akan membantu? Mungkin ya, mungkin tidak. Namun terkadang, bahkan dalam penelitian yang paling rumit sekalipun, terkadang yang penting bukanlah tujuannya, melainkan perjalanan itu sendiri.
Hari Jumat libur:
Hutan bawah laut yang berisi ganggang raksasa berfungsi sebagai tempat berkumpulnya bulu babi dan penghuni laut lain yang tidak biasa. (BBC Earth, pengisi suara - David Attenborough).
Terima kasih telah menonton, tetap penasaran dan semoga akhir pekanmu menyenangkan semuanya! π
Terima kasih untuk tetap bersama kami. Apakah Anda menyukai artikel kami? Ingin melihat konten yang lebih menarik? Dukung kami dengan melakukan pemesanan atau merekomendasikan kepada teman, Diskon 30% untuk pengguna Habr pada analog unik dari server level awal, yang kami ciptakan untuk Anda: (tersedia dengan RAID1 dan RAID10, hingga 24 core dan hingga 40GB DDR4).
Dell R730xd 2 kali lebih murah? Hanya disini di Belanda! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - mulai $99! Membaca tentang
Sumber: www.habr.com