어디를 봐도 뾰족하고 날카롭다: 성게 이빨의 자가 날카롭게 하는 메커니즘

사람들은 치아에 관한 대화를 치아로 구슬을 만드는 꿈만 꾸는 흰색 코트를 입은 우식증, 교정기 및 사디스트와 가장 자주 연관시킵니다. 하지만 농담은 제쳐두세요. 왜냐하면 치과의사와 확고한 구강 위생 규칙이 없었다면 여러분과 저는 으깬 감자와 빨대를 통한 수프만 먹었을 것이기 때문입니다. 그리고 재생되지 않는 가장 내구성이 뛰어난 치아와는 거리가 먼 진화에 대한 책임이 있으며 이는 아마도 치과 산업의 대표자들을 믿을 수 없을 정도로 행복하게 만듭니다. 야생 동물 대표자의 이빨에 대해 이야기하면 장엄한 사자, 피에 굶주린 상어, 극도로 긍정적인 하이에나가 즉시 떠오릅니다. 그러나 턱의 힘과 힘에도 불구하고 그들의 이빨은 성게의 이빨만큼 놀랍지 않습니다. 예, 물속에 있는 이 바늘 덩어리는 밟으면 휴가의 상당 부분을 망칠 수 있으며 꽤 좋은 이빨을 가지고 있습니다. 물론 그 수가 많지 않고 XNUMX명밖에 없지만 나름대로 독특하고 스스로 날카롭게 할 수 있습니다. 과학자들은 이 기능을 어떻게 발견했으며, 이 과정은 정확히 어떻게 발생하며, 이것이 사람들에게 어떻게 도움이 될 수 있습니까? 우리는 연구 그룹의 보고서에서 이에 대해 배웁니다. 가다.

연구기반

우선, 연구의 주인공인 Strongylocentrotus fragilis, 또는 인간 용어로는 분홍색 성게를 알아가는 것이 좋습니다. 이 유형의 성게는 더 납작한 모양과 화려한 색상을 제외하고는 다른 성게와 크게 다르지 않습니다. 그들은 꽤 깊은 곳(100m에서 1km)에 살고 직경이 10cm까지 자랍니다.

XNUMX선 대칭을 보여주는 성게의 “뼈대”.

성게는 듣기에는 가혹하지만 옳기도 하고 그르기도 합니다. 전자는 뚜렷하게 XNUMX선 대칭을 이루는 거의 완벽하게 둥근 몸체 모양을 갖고 있는 반면, 후자는 좀 더 비대칭적입니다.

성게를 볼 때 가장 먼저 눈에 띄는 것은 몸 전체를 덮고 있는 가시입니다. 다른 종에서 바늘은 2mm에서 30cm까지 가능하며 바늘 외에도 몸에는 구형 (균형 기관)과 페디 셀라 리아 (집게와 유사한 과정)가 있습니다.

중앙에는 다섯 개의 치아가 모두 선명하게 보입니다.

성게를 묘사하려면 입이 아래쪽에 있고 나머지 구멍이 위쪽에 있으므로 먼저 거꾸로 서 있어야 합니다. 성게의 입에는 아름다운 학명인 "아리스토텔레스의 랜턴"(이 기관을 최초로 기술하고 그 모양을 골동품 휴대용 랜턴에 비유한 사람은 아리스토텔레스였습니다)을 가진 씹는 장치가 장착되어 있습니다. 이 기관에는 1개의 턱이 있으며 각 턱의 끝은 날카로운 이빨로 끝납니다(검사 중인 분홍색 고슴도치의 아리스토텔레스 랜턴이 아래 이미지 XNUMXC에 표시되어 있습니다).

성게 이빨의 내구성은 원위 표면의 날카로움을 유지하기 위해 치아의 광물화된 판이 점진적으로 파괴되어 발생하는 지속적인 날카로움에 의해 보장된다는 가정이 있습니다.

하지만 이 과정이 정확히 어떻게 작동하는지, 어떤 치아를 갈고 갈 필요가 있는지, 그리고 이 중요한 결정은 어떻게 내려지나요? 과학자들은 이러한 질문에 대한 답을 찾으려고 노력했습니다.

연구 결과

이미지 #1

성게의 치아 비밀을 밝히기 전에, 치아의 전체적인 구조를 살펴보겠습니다.

사진 속 1А-1S 연구의 주인공은 분홍색 성게입니다. 다른 성게와 마찬가지로 이 종의 대표자는 바닷물에서 미네랄 성분을 얻습니다. 골격 요소 중 치아는 마그네슘이 풍부한 방해석과 함께 고도로 광물화되어 있습니다(99%).

앞서 논의한 것처럼 고슴도치는 이빨을 사용하여 음식을 긁습니다. 그러나 이 외에도 그들은 이빨을 사용하여 스스로 구멍을 파고 포식자나 악천후로부터 숨어 있습니다. 치아에 대한 이러한 특이한 사용을 고려하면 후자는 매우 강하고 날카롭습니다.

이미지에 1D 전체 치아의 한 부분에 대한 미세컴퓨터 단층촬영이 표시되어 있으며, 이는 치아가 T자형 단면을 갖는 타원형 곡선을 따라 형성되어 있음을 보여줍니다.

치아의 단면(1E) 치아는 10차 추판, 치석 영역, 20차 추판의 세 가지 구조적 영역으로 구성되어 있음을 보여줍니다. 석재 영역은 유기 껍질로 둘러싸인 작은 직경의 섬유로 구성됩니다. 섬유는 마그네슘이 풍부한 방해석 입자로 구성된 다결정질 매트릭스에 내장되어 있습니다. 이 입자의 직경은 약 XNUMX-XNUMX nm입니다. 연구자들은 마그네슘의 농도가 치아 전체에 걸쳐 균일하지 않고 끝으로 갈수록 증가하여 내마모성과 경도가 증가한다는 점에 주목했습니다.

종단면(1F) 치아의 돌 부분은 섬유의 파괴와 섬유와 유기 껍질의 경계면의 박리로 인해 발생하는 박리를 보여줍니다.

기본 플레이트는 일반적으로 방해석 단결정으로 구성되며 치아의 볼록한 표면에 위치하는 반면, 보조 플레이트는 오목한 표면을 채웁니다.

사진 1G 구부러진 기본 플레이트의 배열이 서로 평행하게 놓여 있는 것을 볼 수 있습니다. 이미지는 또한 플레이트 사이의 공간을 채우는 섬유와 다결정 매트릭스를 보여줍니다. 킬(1H)는 단면 T-단면의 베이스를 형성하고 치아의 굽힘 강성을 증가시킵니다.

이제 분홍색 성게 이빨의 구조를 알았으니 이제 그 구성 요소의 기계적 특성을 알아내야 합니다. 이를 위해 주사전자현미경을 이용하여 압축시험을 실시하였고, 나노압입*. 나노역학 테스트에는 치아의 세로 방향과 가로 방향을 따라 절단된 샘플이 포함되었습니다.

나노압입* - 특수 도구(압자)를 샘플 표면에 눌러 재료를 테스트합니다.

데이터 분석에 따르면 세로 및 가로 방향의 톱니 끝의 평균 영률(E) 및 경도(H)는 EL = 77.3 ± 4,8 GPa, HL = 4.3 ± 0.5 GPa(세로) 및 ET = 70.2 ± 7.2입니다. GPa, HT = 3,8 ± 0,6 GPa(가로).

영률* - 인장과 압축에 저항하는 재료의 능력을 설명하는 물리량입니다.

경도* - 더 단단한 물체(압자)의 침투에 저항하는 재료의 특성입니다.

또한, 석재 영역에 대한 점소성 손상 모델을 생성하기 위해 세로 방향으로 주기적 추가 하중을 가하는 압흔을 만들었습니다. ~에 2А 하중-변위 곡선이 표시됩니다.

이미지 #2

각 사이클의 모듈러스는 언로드 데이터를 사용하여 Oliver-Pharr 방법을 기반으로 계산되었습니다. 압입 주기는 압입 깊이가 증가함에 따라 모듈러스의 단조로운 감소를 보여주었습니다(2V). 이러한 강성의 악화는 손상의 축적으로 설명됩니다(2C) 되돌릴 수 없는 변형의 결과입니다. 세 번째 발달은 섬유를 통해서가 아니라 섬유 주위에서 발생한다는 점은 주목할 만합니다.

치아 구성 요소의 기계적 특성도 준정적 미세기둥 압축 실험을 사용하여 평가되었습니다. 마이크로미터 크기의 기둥을 생성하기 위해 집속된 이온빔이 사용되었습니다. 치아의 볼록한 면에 있는 기본 판 사이의 결합 강도를 평가하기 위해 마이크로 기둥은 판 사이의 법선 경계면에 대해 비스듬한 방향으로 제작되었습니다(2D). 사진 속에 2E 경사진 인터페이스를 가진 미세기둥이 표시됩니다. 그리고 그래프에서는 2F 전단 응력 측정 결과가 표시됩니다.

과학자들은 흥미로운 사실에 주목합니다. 측정된 탄성 계수는 ​​압입 테스트의 거의 절반입니다. 압입 시험과 압축 시험 사이의 이러한 불일치는 치아 법랑질에서도 나타났습니다. 현재 이러한 불일치(테스트 중 환경 영향부터 시료 오염까지)를 설명하는 몇 가지 이론이 있지만, 불일치가 발생하는 이유에 대한 명확한 답은 아직 없습니다.

성게 이빨 연구의 다음 단계는 주사전자현미경을 사용하여 마모 테스트를 수행하는 것이었습니다. 치아를 특수 홀더에 접착하고 초나노결정질 다이아몬드 기판(3А).

이미지 #3

과학자들은 마모 테스트 버전이 일반적으로 수행되는 것과 반대이며 다이아몬드 팁을 테스트 중인 재료의 기판에 밀어넣는다는 점에 주목합니다. 마모 테스트 기술의 변화를 통해 치아의 미세 구조 및 구성 요소 특성을 더 잘 이해할 수 있습니다.

그림에서 볼 수 있듯이 임계 부하에 도달하면 칩이 형성되기 시작합니다. 성게에 있는 아리스토텔레스 랜턴의 "물린" 힘은 종에 따라 1에서 50뉴턴까지 다양하다는 점을 고려해 볼 가치가 있습니다. 테스트에서는 수백 마이크로뉴턴에서 1뉴턴까지의 힘이 사용되었습니다. 아리스토텔레스 랜턴 전체에 대해 1에서 5뉴턴입니다(XNUMX개의 이빨이 있기 때문에).

사진 3B(i) 석재 부분의 마모로 인해 눈에 보이는 미세한 입자(빨간색 화살표)가 형성되었습니다. 석재 영역이 마모되고 수축됨에 따라 방해석 플레이트 영역의 압축 전단 하중 및 응력 축적으로 인해 플레이트 사이의 경계면에 균열이 발생하고 전파될 수 있습니다. 영화 3B(ii) и 3B(iii) 파편이 부서진 곳을 보여줍니다.

비교를 위해 항복 시작(WCL)에 해당하는 일정한 하중과 항복 응력(WCS)에 해당하는 일정한 하중을 사용하여 두 가지 유형의 마모 실험을 수행했습니다. 결과적으로 두 가지 유형의 치아 마모가 얻어졌습니다.

착용 테스트 영상:

XNUMX단계

XNUMX기

XNUMX단계

XNUMX단계

일정한 하중 하에서 WCL 테스트에서 해당 부위의 압축이 관찰되었으나 플레이트에 치핑이나 기타 손상이 관찰되지 않았습니다(4A). 그러나 WCS 시험에서는 공칭 접촉응력을 일정하게 유지하기 위해 수직력을 증가시켰을 때 판재의 치핑 및 손실이 관찰되었다.4V).

이미지 #4

이러한 관찰은 그래프(4S) 슬라이딩 길이(테스트 중 다이아몬드 위의 샘플)에 따라 부서진 플레이트의 압축 면적과 부피를 측정합니다.

이 그래프에서도 WCL의 경우 WCS보다 슬라이딩 거리가 커져도 칩이 발생하지 않는 것을 알 수 있습니다. 압축되고 부서진 판의 검사 4V 이를 통해 성게 이빨의 자가 연마 메커니즘을 더 잘 이해할 수 있습니다.

판이 부서짐에 따라 석재의 압축된 영역의 면적이 증가하여 압축된 영역의 일부가 제거됩니다. [4B(iii-v)]. 석재와 석판 사이의 결합과 같은 미세 구조적 특징은 이 과정을 촉진합니다. 현미경 검사 결과, 치석 부위의 섬유가 구부러지고 치아의 볼록한 부분에 있는 판층을 관통하는 것으로 나타났습니다.

차트에서 4S 새 플레이트가 치아에서 분리되면 부서진 부분의 부피가 급증하는 것을 볼 수 있습니다. 동시에 평평한 영역의 너비가 급격히 감소하는 것이 궁금합니다(4D), 이는 자체 선명화 과정을 나타냅니다.

간단히 말해서, 이 실험은 마모 테스트 중에 일정한 정상(중요하지 않은) 하중이 유지되면 톱니가 날카로운 상태를 유지하는 동안 팁이 무뎌진다는 것을 보여주었습니다. 하중이 임계값을 초과하지 않으면 사용 중에 고슴도치의 이빨이 날카로워지는 것으로 나타났습니다. 그렇지 않으면 날카롭게 하기보다는 손상(칩)이 발생할 수 있습니다.

이미지 #5

치아 미세 구조의 역할, 그 특성 및 자체 선명 메커니즘에 대한 기여를 이해하기 위해 마모 과정에 대한 비선형 유한 요소 분석이 수행되었습니다.5А). 이를 위해 치아 끝 부분의 세로 단면 사진이 사용되었으며, 이는 돌, 판, 용골 및 판과 돌 사이의 경계면으로 구성된 XNUMX차원 모델의 기초가 되었습니다.

Изображения 5B-5H 는 석재 및 슬래브 영역의 가장자리에 있는 폰 미제스 기준(가소성 기준)의 등고선 플롯입니다. 치아가 압축되면 결석은 큰 점소성 변형을 겪고 손상이 축적되며 수축(“납작해짐”)됩니다(5B и 5C). 추가로 압축하면 돌에 전단 밴드가 발생하여 소성 변형과 손상이 많이 축적되어 돌의 일부가 찢어져 기판과 직접 접촉하게 됩니다.5D). 이 모델의 이러한 돌 조각화는 실험적 관찰에 해당합니다. 3B(i)). 압축은 또한 인터페이스 요소가 혼합 하중을 받게 되면서 플레이트 사이에 박리를 유발하여 분리(박리)를 초래합니다. 접촉 면적이 증가함에 따라 접촉 응력이 증가하여 계면에서 균열이 시작되고 전파됩니다(5B-5E). 플레이트 사이의 접착력이 떨어지면 굽힘이 증가하여 외부 플레이트가 분리됩니다.

긁힘은 인터페이스 손상을 악화시켜 웨이퍼가 벽개(균열이 인터페이스에서 벗어나 웨이퍼에 침투하는 경우)를 겪을 때 웨이퍼 제거로 이어집니다. 5G). 과정이 계속됨에 따라 플레이트 조각이 치아 끝에서 분리됩니다(5H).

흥미롭게도, 모델링은 과학자들이 관찰 중에 이미 알아차린 돌과 판 영역 모두의 칩핑을 매우 정확하게 예측했습니다.3B и 5I).

연구의 뉘앙스에 대한 자세한 내용은 다음을 참조하는 것이 좋습니다. 과학자 보고서 и 추가 자료 그에게.

커튼콜

이 연구는 진화가 인간의 치아에 그리 호의적이지 않다는 것을 다시 한번 확인시켜 주었습니다. 진지하게, 그들의 연구에서 과학자들은 치아의 특이한 구조와 올바른 하중에 기초한 성게 치아의 자체 연마 메커니즘을 자세히 조사하고 설명할 수 있었습니다. 고슴도치의 이빨을 덮고 있는 판은 특정 하중을 받으면 벗겨지는데, 이는 이빨을 날카롭게 유지하는 데 도움이 됩니다. 그러나 이것이 성게가 돌을 부술 수 있다는 의미는 아닙니다. 임계 하중 표시기에 도달하면 치아에 균열과 칩이 형성되기 때문입니다. "당신은 힘이 있고 지능이 필요하지 않습니다"라는 원칙은 확실히 어떤 이점도 가져 오지 않을 것입니다.

심해 생물의 치아를 연구하는 것은 인간의 끝없는 호기심을 충족시키는 것 외에는 인간에게 아무런 유익도 주지 못한다고 생각할 수도 있습니다. 그러나 이 연구에서 얻은 지식은 고슴도치 이빨과 유사한 특성(내마모성, 외부 지원 없이 재료 수준에서 자가 연마성, 내구성)을 갖는 새로운 유형의 재료를 생성하기 위한 기초가 될 수 있습니다.

하지만 자연에는 우리가 아직 밝혀내지 못한 많은 비밀이 숨겨져 있습니다. 유용할까요? 아마도 그렇습니다. 아마도 그렇지 않을 것입니다. 그러나 때로는 가장 복잡한 연구에서도 중요한 것은 목적지가 아니라 여행 자체일 때가 있습니다.

금요일 오프탑:

수중 거대 다시마 숲은 성게와 기타 특이한 해양 생물이 모이는 장소 역할을 합니다. (BBC Earth, David Attenborough의 음성 해설).

읽어주셔서 감사합니다. 호기심을 갖고 즐거운 주말 보내세요! 🙂

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출처 : habr.com