Gesprekken over tanden worden vaak geassocieerd met gaatjes, beugels en sadisten in witte jassen, die er alleen maar van dromen om sieraden van jouw tanden te maken. Maar alle grappen terzijde, want zonder tandartsen en vastgestelde hygiƫneregels zouden we ons enkel voeden met gemalen aardappelen en soep door een rietje. De schuld ligt bij de evolutie, die ons niet bepaald duurzame tanden heeft gegeven, die bovendien niet regenereren, wat waarschijnlijk de vertegenwoordigers van de tandheelkundige sector een groot plezier doet. Als we het hebben over de tanden van dieren in het wild, dan denken we al snel aan majestueuze leeuwen, bloeddorstige haaien en uiterst positieve hyena's. Echter, ondanks de kracht van hun kaken zijn hun tanden niet zo verbazingwekkend als die van zee-egels. Ja, deze hoop stekels onder water, waarop je kunt staan en jezelf een groot deel van je vakantie kunt verpesten, heeft vrij aardige tandjes. Er zijn er natuurlijk niet veel, slechts vijf, maar ze zijn uniek op hun eigen manier en kunnen zichzelf slijpen. Hoe hebben wetenschappers deze eigenschap ontdekt, hoe verloopt dit proces en hoe kan dit mensen helpen? Dit zullen we ontdekken uit het rapport van de onderzoeks groep. Laten we beginnen.
De basis van het onderzoek
Allereerst is het de moeite waard om kennis te maken met de hoofdpersoon van het onderzoek ā Strongylocentrotus fragilis, in mensentaal de roze zee-egel. Deze soort zee-egel verschilt niet veel van andere soortgenoten, behalve dat zijn vorm aan de polen meer afgeplat is en hij een glamoureuze kleur heeft. Ze leven behoorlijk diep (tussen de 100 m en 1 km) en groeien tot een diameter van 10 cm.
Het 'skelet' van de zee-egel, dat de vijfvoudige symmetrie laat zien.
Zee-egels kunnen, hoe ruw het ook klinkt, goede en slechte zijn. De eerste hebben een praktisch perfect ronde lichaamsvorm met uitgesproken vijfvoudige symmetrie, terwijl de tweede meer asymmetrisch zijn.
Het eerste wat opvalt bij het zien van een zee-egel, zijn de stekels die het hele lichaam bedekken. Bij verschillende soorten kunnen de stekels variƫren van 2 mm tot zelfs 30 cm. Naast de stekels zijn er spheridia (evenwichtsorganen) en pedicellariae (uitsteeksels die op tangen lijken) op het lichaam.
In het midden zijn alle vijf tanden duidelijk zichtbaar.
Om een zee-egel af te beelden, moet je eerst ondersteboven gaan staan, omdat de mond zich aan de onderkant van het lichaam bevindt, terwijl de andere openingen zich aan de bovenkant bevinden. De mond van zee-egels is uitgerust met een kauwapparaat met de mooie wetenschappelijke naam 'Aristoteles-lantaarn' (het was Aristoteles die dit orgaan als eerste beschreef en het vergeleek met een antieke draagbare lantaarn). Dit orgaan heeft vijf kaken, waarvan elke eindigt in een scherpe tand (de Aristoteles-lantaarn van de onderzochte roze zee-egel is te zien op afbeelding 1C hieronder).
Er is een hypothese dat de duurzaamheid van de tanden van zee-egels wordt verzekerd door hun constante slijpen, wat gebeurt door een gefaseerde afbraak van de gemineraliseerde platen van de tand om de scherpte van het distale oppervlak te behouden.
Maar hoe verloopt dit proces precies, welke tanden moeten worden geslepen en welke niet, en hoe wordt deze belangrijke beslissing genomen? Wetenschappers hebben geprobeerd antwoorden te vinden op deze vragen.
Onderzoeksresultaten
Afbeelding ā1
Voordat we de dentale geheimen van zee-egels onthullen, laten we de structuur van hun tanden in het algemeen bekijken.
Op de foto's 1Aā1C wordt de held van het onderzoek getoond ā de roze zee-egel. Net als andere zee-egels verkrijgen vertegenwoordigers van deze soort hun mineralen uit het zeewater. Onder de skeletelementen zijn de tanden sterk gemineraliseerd (voor 99%) met calciet, verrijkt met magnesium.
Zoals we eerder hebben besproken, gebruiken zee-egels hun tanden om voedsel af te schrapen. Maar daarnaast graven ze met hun tanden holen waarin ze zich verbergen voor roofdieren of slecht weer. Gezien dit ongewone gebruik van hun tanden, moeten deze extreem sterk en scherp zijn.
Op de afbeelding 1D is de micro-computer tomografie van een segment van een gehele tand weergegeven, wat laat zien dat de tand is gevormd langs een elliptische kromme met een T-vormige dwarsdoorsnede.
De dwarsdoorsnede van de tand (1E) toont aan dat de tand uit drie structurele gebieden bestaat: primaire platen, het stenen gebied en secundaire platen. Het stenen gebied bestaat uit vezels van kleine diameter, omgeven door een organische schil. De vezels zijn ingesloten in een polycrystalijne matrix die bestaat uit magnesium rijke calcietdeeltjes. De diameter van deze deeltjes bedraagt ongeveer 10-20 nm. Onderzoekers opmerken dat de magnesiumconcentratie ongelijkmatig is verdeeld over de tand en toeneemt dichter bij het uiteinde, wat zorgt voor een verhoogde slijtvastheid en hardheid.
Langs een doorsnede (1F) van het stenen gebied van de tand tonen de breuk van de vezels alsook het scheiden dat plaatsvindt door delaminatie op de grens tussen de vezels en de organische schil.
Primaire platen bestaan meestal uit monokristallen van calciet en bevinden zich op het convex oppervlak van de tand, terwijl secundaire platen het concave oppervlak vullen.
Op de foto 1G is een massa van gebogen primaire platen te zien die parallel aan elkaar liggen. De afbeelding toont ook de vezels en de polycrystalijne matrix die de ruimte tussen de platen opvult. De kiel (1H) vormt de basis van de dwarsdoorsnede en vergroot de stijfheid van de tand bij buigen.
Nu we weten welke structuur de tand van de roze zee-egel heeft, moeten we nu de mechanische eigenschappen van de componenten ervan vaststellen. Hiervoor zijn compressietests uitgevoerd met behulp van een elektronisch scanmicroscoop en de methode nano-indenteren*. Bij de nanomechanische testen waren monsters betrokken die langs de longitudinale en transversale oriƫntaties van de tand zijn gesneden.
Nano-indenteren* is het testen van het materiaal door middel van indrukking met een speciaal gereedschap - de indenter - op het oppervlak van het monster.
De gegevensanalyse toonde aan dat de gemiddelde Young's modulus (E) en hardheid (H) aan de punt van de tand in de longitudinale en transversale richtingen zijn: EL = 77,3 Ā± 4,8 GPa, HL = 4,3 Ā± 0,5 GPa (longitudinaal) en ET = 70,2 Ā± 7,2 GPa, HT = 3,8 Ā± 0,6 GPa (transversaal).
Young's modulus* is een fysieke grootheid die het vermogen van een materiaal beschrijft om weerstand te bieden tegen rek en compressie.
Hardheid* is de eigenschap van een materiaal om weerstand te bieden tegen indringen van een harder lichaam (indenter).
Bovendien zijn in de lengterichting uitsparingen gemaakt met cyclische extra belasting om een model van visco-elastische schade voor het stenen gebied te creƫren. Op 2A is de belasting-verplaatsingscurve weergegeven.
Afbeelding nr. 2
De module voor elke cyclus is berekend met de Oliver-Pharr-methode met behulp van ontlastingsdata. Indentatiecycli toonden een monotone afname van de module met toenemende indringdiepte (2B). Dergelijke verslechtering van de stijfheid wordt verklaard door de accumulatie van schade (2C) als gevolg van onomkeerbare vervorming. Opmerkelijk is dat de ontwikkeling van de derde plaatsvindt rondom de vezels en niet er doorheen.
De mechanische eigenschappen van de componenten van de tanden zijn eveneens geƫvalueerd door middel van quasi-statische compressie-experimenten met microkolommen. Voor de vervaardiging van kolommen van micrometrische grootte werd een gefocuste ionenstraal gebruikt. Om de sterkte van de verbinding tussen de primaire platen aan de convexe zijde van de tand te beoordelen, werden microkolommen vervaardigd met een hellende oriƫntatie ten opzichte van het normale interface tussen de platen (2D). Op de foto 2E is een microkolom met een hellend interface weergegeven. Op de grafiek 2F zijn de resultaten van de metingen van de schuifspanning weergegeven.
Wetenschappers merken een interessante feit op: de gemeten modulus van elasticiteit is bijna de helft van die bij indentatietests. Deze inconsistentie tussen indentatie- en compressietests wordt ook waargenomen voor tandglazuur. Tot nu toe zijn er verschillende theorieƫn die deze inconsistentie uitleggen (van de invloed van de omgeving tijdens de tests tot vervuiling van de monsters), maar er is nog geen duidelijke verklaring waarom deze inconsistentie bestaat.
De volgende fase van het onderzoek naar de tanden van de zee-egel bestond uit slijttests, uitgevoerd met een rasterelektronenmicroscoop. De tand werd aan een speciaal houder bevestigd en tegen een substraat van ultrananokristallijn diamant gedrukt (3A).
Afbeelding nr. 3
Wetenschappers merken op dat hun versie van de slijttest het tegenovergestelde is van de gebruikelijke methoden, waarbij de diamanten punt in het substraat van het onderzochte materiaal wordt gedrukt. De veranderingen in de testmethode voor slijtage maken het mogelijk om de eigenschappen van de microstructuren en componenten van de tand beter te bestuderen.
Zoals we op de foto's kunnen zien, beginnen er schilfers te ontstaan bij het bereiken van een kritische belasting. Het is belangrijk om te vermelden dat de 'bijtkracht' van de Aristoteles-lantaarn bij zee-egels varieert van 1 tot 50 newton, afhankelijk van de soort. Bij de test werd echter een kracht van honderden micronewton tot 1 newton toegepast, dat wil zeggen van 1 tot 5 newton voor de gehele Aristoteles-lantaarn (aangezien er vijf tanden zijn).
Op de foto 3B(i) zijn kleine deeltjes zichtbaar (rode pijl) die zijn ontstaan door slijtage in het gebied van de steen. Aangezien het gebied van de steen slijt en samendrukt, kunnen scheuren op de interfaces tussen schalen ontstaan en zich verspreiden als gevolg van compressie-schuiven en de ophoping van spanningen in het gebied van de calcietplaten. 3B(ii) en 3B(iii) toont de plaatsen waar fragmenten zijn afgebroken.
Ter vergelijking zijn er twee soorten slijtage-experimenten uitgevoerd: met een constante belasting die overeenkomt met de begin vloeigrens (WCL), en met een constante belasting die overeenkomt met de vloeigrens (WCS). Dit resulteerde in twee varianten van slijtage van de tand.
Video's van slijtage-testen:
Fase I
Fase II
Fase III
Fase IV
In het geval van constante belasting in de WCL-test werd er samendrukking van het gebied waargenomen, maar er werden geen schilfers of andere beschadigingen aan de platen opgemerkt (4A). In de WCS-test, waarbij de normale kracht werd verhoogd om de nominale contactspanning constant te houden, werden echter schilfers en afgebroken platen waargenomen (4B).
Afbeelding ā4
Deze waarnemingen worden bevestigd door de grafiek (4C) van de metingen van het samendrukte oppervlak en het volume van de afgebroken platen afhankelijk van de glijdlengte (monster op diamant tijdens de test).
Deze grafiek toont ook aan dat er in het geval van WCL geen schilfers ontstaan, zelfs als de glijdlengte groter is dan in het geval van WCS. Inspectie van de samengedrukte en afgebroken platen op 4B helpt om het mechanisme van de zelfslijtage van de zee-egeltanden beter te begrijpen.
Het gebied van de samengeperste steen neemt toe naarmate de plaat afbreekt, wat leidt tot het verwijderen van een deel van het samengedrukte gebied [4B (iii-v)]. Microstructurale kenmerken, zoals de verbinding tussen de steen en de schalen, vergemakkelijken dit proces. Microscopie toonde aan dat de vezels in het steenachtige gebied buigen en door de lagen van de schalen in de bolle kant van de tand dringen.
In de grafiek 4C Er is een sprongetje te zien in het volume van het gespleten gebied wanneer een nieuwe plaat van de tand wordt losgemaakt. Interessant is dat op hetzelfde moment de breedte van het samengeperste gebied scherp afneemt (4D), wat wijst op het proces van zelfslijpen.
In eenvoudige termen hebben deze experimenten aangetoond dat tijdens het behouden van een constante normale (niet-kritische) belasting tijdens slijtage tests de punt bot wordt, terwijl de tand scherp blijft. Dit betekent dat de tanden van de egels worden geslepen tijdens gebruik, zolang de belasting de kritische waarde niet overschrijdt; anders kunnen er beschadigingen (schilfertjes) ontstaan in plaats van slijtage.
Afbeelding Nr. 5
Om de rol van de microstructuren van de tand, hun eigenschappen en hun bijdrage aan het zelfslijpproces te begrijpen, is een niet-lineaire analyse van het slijtageproces uitgevoerd met de methode van eindige elementen (5A). Hiervoor zijn foto's van de longitudinale doorsnede van de tandpunt gebruikt, die de basis vormden voor het tweedimensionale model, bestaande uit steen, platen, een kiel en de contacten tussen platen en steen.
Afbeeldingen 5Bā5H zijn contour kaarten van de von Mises-criteria (plasticiteitscriteria) aan de rand van het gebied van steen en plaat. Wanneer de tand wordt samengeperst, ondergaat de steen grote visco-plastische vervormingen, accumuleert schade en wordt samengedrukt (āplatgedruktā) (5B en 5C). Verdere compressie veroorzaakt een schuifband in de steen, waar het grootste deel van de plastische vervorming en schade zich ophoopt, waardoor een deel van de steen wordt losgemaakt en in direct contact met de ondergrond komt (5D). Deze fragmentatie van de steen in dit model komt overeen met experimentele observaties (afgebroken fragmenten op 3B(i)). Compressie leidt ook tot delaminatie tussen de platen, aangezien de interface-elementen aan een gemengde belasting worden blootgesteld, wat decohesie (afschilfering) veroorzaakt. Naarmate het contactgebied toeneemt, nemen de contactspanningen toe, waardoor scheuren ontstaan en zich verspreiden aan de interface (5Bā5E). Het verlies van hechting tussen de platen versterkt de buiging, waardoor de buitenste plaat losraakt.
Krasvorming verergert de schade aan de interface, wat leidt tot het verwijderen van de plaat wanneer de platen worden blootgesteld aan splijting (waar scheuren zich van de interface afbuigen en in de plaat doordringen, 5G). Naarmate het proces vordert, worden de schalen van de plaat losgemaakt van de punt van de tand (5H).
Opmerkelijk is dat de simulatie de splintering zowel in het stenen gebied als in het gebied van de platen zeer precies voorspelt, wat door wetenschappers al is opgemerkt tijdens observaties (3B en 5I).
Voor een meer gedetailleerd inzicht in de nuances van het onderzoek raad ik aan om te kijken naar en hieraan.
Epilog
Dit werk bevestigt opnieuw dat de evolutie niet bijzonder vriendelijk was voor de tanden van de mens. Serieus, in hun onderzoek konden wetenschappers het mechanisme van de zelfslijtage van de tanden van zee-egels gedetailleerd bestuderen en verklaren, gebaseerd op de ongebruikelijke structuur van de tand en de juiste belasting erop. De platen die de tand van de zee-egel bedekken, schilferen af bij een bepaalde belasting, wat het mogelijk maakt om de tand scherp te houden. Maar dat betekent niet dat zee-egels stenen kunnen vergruizen, want bij het bereiken van kritische belastingniveaus ontstaan er barsten en schilfers op de tanden. Het principe 'kracht is er, verstand is er niet' zou dus zeker geen nut brengen.
Je zou kunnen denken dat het bestuderen van de tanden van bewoners van de zeeĆ«n geen nut heeft voor de mens, behalve dan om de onverzadigbare nieuwsgierigheid van de mens te bevredigen. Echter, de kennis die tijdens dit onderzoek is verkregen, kan de basis vormen voor het creĆ«ren van nieuwe soorten materialen die vergelijkbare eigenschappen als de tanden van zee-egels hebben ā slijtvastheid, zelfslijtage op materiaalsniveau zonder externe hulp, en duurzaamheid.
Hoe dan ook, de natuur verbergt talloze geheimen die we nog moeten onthullen. Zullen ze nuttig zijn? Misschien wel, misschien niet. Maar soms is, zelfs in de meest complexe onderzoeken, niet de bestemming belangrijk, maar de reis zelf.
Vrijdag off-topic:
Onderwaterbossen van reusachtige algen dienen als verzamelplaats voor zee-egels en andere ongebruikelijke bewoners van de oceaan. (BBC Earth, stem over in beeld ā David Attenborough).
Bedankt voor uw aandacht, blijf nieuwsgierig en een fijn weekend, allemaal! š
Bedankt dat je bij ons blijft. Vind je onze artikelen leuk? Wil je meer interessante inhoud zien? Steun ons door een bestelling te plaatsen of ons aan vrienden aan te bevelen. 30% korting voor Habr-gebruikers op een unieke variant van entry-level servers, speciaal voor jou ontworpen: (opties beschikbaar met RAID1 en RAID10, tot 24 cores en tot 40GB DDR4).
Dell R730xd voor de helft van de prijs? Alleen bij ons in Nederland! Dell R420 ā 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB ā vanaf $99! Lees over hoe
Bron: habr.com
