Mọi người thường liên tưởng những cuộc trò chuyện về răng với sâu răng, niềng răng và những kẻ bạo dâm mặc áo khoác trắng chỉ mơ tạo ra những hạt cườm từ răng của bạn. Nhưng đừng đùa, vì nếu không có nha sĩ và các quy tắc vệ sinh răng miệng được thiết lập, bạn và tôi sẽ chỉ ăn khoai tây nghiền và súp qua ống hút. Và tất cả đều đổ lỗi cho quá trình tiến hóa, thứ đã mang lại cho chúng ta những chiếc răng bền nhất, cũng không thể tái tạo, điều này có lẽ khiến các đại diện của ngành nha khoa vô cùng vui mừng. Nếu chúng ta nói về răng của các đại diện của động vật hoang dã, thì ngay lập tức nghĩ đến những con sư tử hùng vĩ, những con cá mập khát máu và những con linh cẩu cực kỳ tích cực. Tuy nhiên, dù có sức mạnh và sức mạnh của bộ hàm nhưng hàm răng của chúng cũng không thể tuyệt vời bằng răng của nhím biển. Đúng vậy, cục kim dưới nước này, nếu bạn giẫm phải, có thể phá hỏng một phần thú vị trong kỳ nghỉ của bạn, có một số hàm răng khá tốt. Tất nhiên, không có nhiều người trong số họ, chỉ có năm người, nhưng họ độc đáo theo cách riêng của mình và có khả năng mài giũa bản thân. Làm thế nào các nhà khoa học phát hiện ra đặc điểm này, quá trình này xảy ra chính xác như thế nào và nó có thể giúp ích gì cho con người? Chúng tôi tìm hiểu điều này từ báo cáo của nhóm nghiên cứu. Đi.
Cơ sở nghiên cứu
Trước hết, cần làm quen với nhân vật chính của nghiên cứu - Strongylocentrotus fragilis, hay theo cách nói của con người là một con nhím biển màu hồng. Loại nhím biển này không khác biệt lắm so với các loại nhím biển khác, ngoại trừ hình dạng dẹt hơn và màu sắc quyến rũ. Chúng sống khá sâu (từ 100 m đến 1 km) và có đường kính lên tới 10 cm.
“Bộ xương” của nhím biển, cho thấy sự đối xứng năm tia.
Nhím biển, nghe có vẻ khắc nghiệt, đúng và sai. Loại trước có hình dạng cơ thể tròn gần như hoàn hảo với sự đối xứng năm tia rõ rệt, trong khi loại sau thì bất đối xứng hơn.
Điều đầu tiên đập vào mắt bạn khi nhìn thấy nhím biển là những chiếc gai bao phủ toàn bộ cơ thể của nó. Ở các loài khác nhau, các kim có thể dài từ 2 mm đến 30 cm, ngoài kim, cơ thể còn có hình cầu (cơ quan cân bằng) và pedicellaria (các quá trình giống như kẹp).
Tất cả năm chiếc răng đều có thể nhìn thấy rõ ràng ở trung tâm.
Để khắc họa một con nhím biển, trước tiên bạn phải đứng lộn ngược, vì miệng của nó nằm ở phần dưới của cơ thể, nhưng các lỗ khác lại ở phần trên. Miệng nhím biển được trang bị một bộ máy nhai với cái tên khoa học mỹ miều là “Đèn lồng của Aristotle” (chính Aristotle là người đầu tiên mô tả cơ quan này và so sánh hình dạng của nó với một chiếc đèn lồng di động cổ). Cơ quan này được trang bị năm hàm, mỗi hàm kết thúc bằng một chiếc răng sắc nhọn (đèn lồng Aristotelian của con nhím màu hồng đang được kiểm tra được hiển thị trong hình 1C bên dưới).
Có giả định rằng độ bền của răng nhím biển được đảm bảo bằng sự mài sắc liên tục của chúng, xảy ra thông qua việc phá hủy dần dần các tấm khoáng hóa của răng để duy trì độ sắc nét của bề mặt xa.
Nhưng chính xác thì quá trình này diễn ra như thế nào, răng nào cần mài và răng nào không, và quyết định quan trọng này được đưa ra như thế nào? Các nhà khoa học đã cố gắng tìm câu trả lời cho những câu hỏi này.
Kết quả nghiên cứu
Hình ảnh số 1
Trước khi tiết lộ bí mật về răng của nhím biển, chúng ta hãy nhìn tổng thể cấu trúc răng của chúng.
Trong những bức tranh 1А-1S nhân vật chính của nghiên cứu được thể hiện - một con nhím biển màu hồng. Giống như các loài nhím biển khác, đại diện của loài này lấy thành phần khoáng chất từ nước biển. Trong số các thành phần của xương, răng có hàm lượng khoáng hóa cao (99%) với canxit giàu magie.
Như chúng ta đã thảo luận trước đó, nhím dùng răng để cạo thức ăn. Nhưng bên cạnh đó, chúng còn dùng răng để đào hố cho mình, nơi chúng trốn tránh kẻ săn mồi hoặc thời tiết xấu. Với công dụng đặc biệt này của răng, răng sau phải cực kỳ chắc chắn và sắc bén.
trên hình ảnh 1D Chụp cắt lớp vi tính một phần của toàn bộ răng được hiển thị, cho thấy răng được hình thành dọc theo một đường cong hình elip với mặt cắt ngang hình chữ T.
Mặt cắt ngang của răng (1E) cho thấy rằng một chiếc răng bao gồm ba vùng cấu trúc: lá sơ cấp, vùng vôi răng và lá thứ cấp. Vùng đá bao gồm các sợi có đường kính nhỏ được bao quanh bởi lớp vỏ hữu cơ. Các sợi được nhúng trong một ma trận đa tinh thể bao gồm các hạt canxit giàu magie. Đường kính của các hạt này là khoảng 10-20 nm. Các nhà nghiên cứu lưu ý rằng nồng độ magiê không đồng đều trong toàn bộ răng và tăng dần về phía cuối, điều này làm tăng khả năng chống mài mòn và độ cứng.
Mặt cắt dọc (1F) vùng sỏi của răng cho thấy các sợi bị phá hủy cũng như bị bong ra, xảy ra do sự phân tách ở bề mặt tiếp xúc của các sợi và vỏ hữu cơ.
Các tấm sơ cấp thường bao gồm các tinh thể canxit đơn lẻ và nằm trên bề mặt lồi của răng, trong khi các tấm thứ cấp lấp đầy bề mặt lõm.
Ảnh 1G có thể nhìn thấy một dãy các tấm sơ cấp cong nằm song song với nhau. Hình ảnh cũng cho thấy các sợi và ma trận đa tinh thể lấp đầy khoảng trống giữa các tấm. Kiel (1H) tạo thành đế của mặt cắt chữ T và làm tăng độ cứng khi uốn của răng.
Bây giờ chúng ta đã biết cấu trúc của răng nhím biển màu hồng, bây giờ chúng ta cần tìm hiểu các tính chất cơ học của các thành phần của nó. Với mục đích này, các thử nghiệm nén được thực hiện bằng kính hiển vi điện tử quét và thụt nano*. Các thử nghiệm cơ học nano bao gồm các mẫu được cắt dọc theo hướng dọc và ngang của răng.
Thụt nano* - kiểm tra vật liệu bằng cách ấn một dụng cụ đặc biệt - dụng cụ ấn - vào bề mặt của mẫu.
Phân tích số liệu cho thấy mô đun Young (E) và độ cứng (H) trung bình tại đầu răng theo phương dọc và ngang lần lượt là: EL = 77.3 ± 4,8 GPa, HL = 4.3 ± 0.5 GPa (dọc) và ET = 70.2 ± 7.2 GPa, HT = 3,8 ± 0,6 GPa (ngang).
Mô đun Young* - đại lượng vật lý mô tả khả năng của vật liệu chống lại lực căng và lực nén.
Độ cứng* - đặc tính của vật liệu chống lại sự xâm nhập của vật thể cứng hơn (vết lõm).
Ngoài ra, các vết lõm với tải trọng bổ sung theo chu kỳ được thực hiện theo hướng dọc để tạo ra mô hình hư hỏng nhớt-dẻo cho khu vực đá. TRÊN 2А đường cong chuyển tải được hiển thị.
Hình ảnh số 2
Mô đun cho mỗi chu kỳ được tính toán dựa trên phương pháp Oliver-Pharr sử dụng dữ liệu dỡ tải. Các chu kỳ thụt đầu dòng cho thấy mô đun giảm đơn điệu khi độ sâu thụt đầu dòng tăng dần (2V). Sự suy giảm độ cứng này được giải thích bằng sự tích tụ hư hỏng (2C) do biến dạng không thuận nghịch. Đáng chú ý là sự phát triển của phần thứ ba xảy ra xung quanh các sợi chứ không phải thông qua chúng.
Các đặc tính cơ học của các thành phần răng cũng được đánh giá bằng các thí nghiệm nén micropillar bán tĩnh. Một chùm ion tập trung được sử dụng để tạo ra các cột có kích thước micromet. Để đánh giá độ bền liên kết giữa các tấm chính ở mặt lồi của răng, các trụ vi mô được chế tạo theo hướng xiên so với bề mặt tiếp xúc bình thường giữa các tấm (2D). Trong hình 2E một micropillar với giao diện nghiêng được hiển thị. Và trên biểu đồ 2F kết quả đo ứng suất cắt được hiển thị.
Các nhà khoa học lưu ý một sự thật thú vị - mô đun đàn hồi đo được gần bằng một nửa so với các thử nghiệm thụt đầu dòng. Sự khác biệt này giữa thử nghiệm thụt đầu dòng và thử nghiệm nén cũng đã được ghi nhận đối với men răng. Hiện tại, có một số lý thuyết giải thích sự khác biệt này (từ ảnh hưởng của môi trường trong quá trình thử nghiệm đến ô nhiễm mẫu), nhưng vẫn chưa có câu trả lời rõ ràng cho câu hỏi tại sao lại xảy ra sự khác biệt.
Bước tiếp theo trong nghiên cứu răng nhím biển là thực hiện các thử nghiệm mài mòn bằng kính hiển vi điện tử quét. Chiếc răng được dán vào một giá đỡ đặc biệt và ép vào chất nền kim cương siêu tinh thể (3А).
Hình ảnh số 3
Các nhà khoa học lưu ý rằng phiên bản thử nghiệm độ mòn của họ trái ngược với những gì thường được thực hiện, trong đó đầu kim cương được ép vào chất nền của vật liệu đang được thử nghiệm. Những thay đổi trong kỹ thuật kiểm tra độ mòn cho phép hiểu rõ hơn về đặc tính của các cấu trúc vi mô và các thành phần của răng.
Như chúng ta có thể thấy trong hình, khi đạt đến tải trọng tới hạn, các chip bắt đầu hình thành. Điều đáng lưu ý là lực “cắn” của đèn lồng Aristotle ở nhím biển thay đổi tùy theo loài, từ 1 đến 50 newton. Trong thử nghiệm, một lực từ hàng trăm micronewton đến 1 newton đã được sử dụng, tức là. từ 1 đến 5 newton cho toàn bộ chiếc đèn lồng Aristotle (vì có năm chiếc răng).
Ảnh 3B(i) các hạt mịn có thể nhìn thấy (mũi tên đỏ) được hình thành do sự mài mòn trên vùng đá. Khi khu vực đá bị mòn và co lại, các vết nứt tại bề mặt tiếp xúc giữa các tấm có thể phát triển và lan truyền do tải trọng cắt-nén và tích tụ ứng suất trong khu vực tấm canxit. Những bức ảnh 3B(ii) и 3B(iii) hiển thị những nơi mảnh vỡ.
Để so sánh, hai loại thí nghiệm mài mòn đã được thực hiện: với tải không đổi tương ứng với thời điểm bắt đầu chảy dẻo (WCL) và với tải không đổi tương ứng với ứng suất chảy (WCS). Kết quả là thu được hai loại mòn răng.
Mặc video thử nghiệm:
Giai đoạn I
Giai đoạn II
Giai đoạn III
Giai đoạn IV
Dưới tải trọng không đổi, đã quan sát thấy hiện tượng nén khu vực trong thử nghiệm WCL, nhưng không quan sát thấy hiện tượng sứt mẻ hoặc hư hỏng khác đối với các tấm (4A). Nhưng trong thử nghiệm WCS, khi lực pháp tuyến được tăng lên để duy trì ứng suất tiếp xúc danh nghĩa không đổi, người ta đã quan sát thấy hiện tượng sứt mẻ và mất các tấm (4V).
Hình ảnh số 4
Những quan sát này được xác nhận bởi biểu đồ (4S) các phép đo diện tích chịu nén và thể tích của các tấm bị sứt mẻ tùy thuộc vào chiều dài trượt (của mẫu trên viên kim cương trong quá trình thử).
Biểu đồ này cũng cho thấy trong trường hợp WCL, chip không hình thành ngay cả khi khoảng cách trượt lớn hơn trong trường hợp WCS. Kiểm tra các tấm bị nén và sứt mẻ 4V cho phép chúng ta hiểu rõ hơn về cơ chế tự mài răng của nhím biển.
Diện tích vùng chịu nén của đá tăng lên khi tấm đá vỡ ra, loại bỏ một phần diện tích bị nén [4B (iii-v)]. Các đặc điểm cấu trúc vi mô như liên kết giữa đá và tấm tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình này. Kính hiển vi cho thấy các sợi ở vùng vôi răng cong và xuyên qua các lớp tấm ở phần lồi của răng.
Trên biểu đồ 4S sự tăng vọt về thể tích của vùng bị sứt mẻ có thể nhìn thấy khi tấm mới được tháo ra khỏi răng. Điều gây tò mò là cùng lúc đó có sự giảm mạnh về chiều rộng của vùng phẳng (4D), biểu thị quá trình tự mài sắc.
Nói một cách đơn giản, những thí nghiệm này cho thấy rằng khi duy trì tải trọng bình thường (không tới hạn) không đổi trong quá trình kiểm tra độ mòn, đầu mũi sẽ trở nên xỉn màu trong khi răng vẫn sắc bén. Hóa ra răng của nhím sẽ được mài sắc trong quá trình sử dụng nếu tải trọng không vượt quá mức tới hạn, nếu không thì có thể xảy ra hư hỏng (chip) thay vì mài sắc.
Hình ảnh số 5
Để hiểu vai trò của các cấu trúc vi mô răng, tính chất của chúng và sự đóng góp của chúng đối với cơ chế tự mài, một phân tích phần tử hữu hạn phi tuyến của quá trình mài mòn đã được thực hiện (5А). Để làm điều này, các bức ảnh chụp mặt cắt dọc của đầu răng đã được sử dụng, làm cơ sở cho mô hình hai chiều bao gồm đá, tấm, sống tàu và các mặt tiếp xúc giữa các tấm và đá.
Изображения 5B–5H là các đồ thị đường viền của tiêu chí von Mises (tiêu chí dẻo) ở rìa của vùng đá và tấm. Khi một chiếc răng bị nén, đá trải qua các biến dạng dẻo nhớt lớn, tích tụ tổn thương và co lại (“làm phẳng”) (5B и 5C). Việc nén thêm gây ra một dải cắt trong đá, nơi tích tụ phần lớn biến dạng dẻo và hư hỏng, làm rách một phần đá, khiến nó tiếp xúc trực tiếp với nền (5D). Sự phân mảnh đá như vậy trong mô hình này phù hợp với các quan sát thực nghiệm (các mảnh vỡ trên 3B(i)). Quá trình nén cũng gây ra sự phân tách giữa các tấm vì các phần tử giao diện phải chịu tải trọng hỗn hợp, dẫn đến sự phân tách (tách lớp). Khi diện tích tiếp xúc tăng lên, ứng suất tiếp xúc tăng lên, gây ra sự hình thành và lan truyền vết nứt tại bề mặt (5B-5E). Mất độ bám dính giữa các tấm làm tăng độ uốn khiến tấm bên ngoài bị bong ra.
Việc gãi làm trầm trọng thêm tình trạng hư hỏng bề mặt, dẫn đến việc loại bỏ tấm bán dẫn khi (các) tấm bán dẫn trải qua quá trình phân tách (nơi các vết nứt lệch khỏi bề mặt và thâm nhập vào tấm bán dẫn, 5G). Khi quá trình tiếp tục, các mảnh của tấm sẽ tách ra khỏi đầu răng (5H).
Điều thú vị là mô hình này dự đoán rất chính xác sự sứt mẻ ở cả khu vực đá và tấm, điều mà các nhà khoa học đã nhận thấy trong quá trình quan sát (3B и 5I).
Để làm quen chi tiết hơn với các sắc thái của nghiên cứu, tôi khuyên bạn nên xem и cho anh ta.
Phần kết
Công trình này một lần nữa khẳng định quá trình tiến hóa không mấy thuận lợi đối với răng của con người. Nghiêm túc mà nói, trong nghiên cứu của mình, các nhà khoa học đã có thể kiểm tra chi tiết và giải thích cơ chế tự mài của răng nhím biển, dựa trên cấu trúc bất thường của răng và tải trọng chính xác lên nó. Các tấm bọc răng nhím bong ra dưới một tải trọng nhất định, giúp răng luôn sắc bén. Nhưng điều này không có nghĩa là nhím biển có thể nghiền nát đá, vì khi đạt đến chỉ số tải trọng tới hạn, các vết nứt và mảnh vụn sẽ hình thành trên răng. Hóa ra nguyên tắc “có sức thì không cần trí tuệ” chắc chắn sẽ không mang lại lợi ích gì.
Người ta có thể nghĩ rằng việc nghiên cứu răng của cư dân dưới biển sâu không mang lại lợi ích gì cho con người, ngoại trừ việc thỏa mãn trí tò mò vô độ của con người. Tuy nhiên, kiến thức thu được từ nghiên cứu này có thể làm cơ sở cho việc tạo ra các loại vật liệu mới có các đặc tính tương tự như răng nhím - chống mài mòn, tự mài ở cấp độ vật liệu mà không cần sự hỗ trợ từ bên ngoài và độ bền.
Dù vậy, thiên nhiên vẫn ẩn chứa nhiều bí mật mà chúng ta chưa tiết lộ. Liệu chúng có hữu ích không? Có lẽ có, có lẽ không. Nhưng đôi khi, ngay cả trong những nghiên cứu phức tạp nhất, đôi khi điều quan trọng không phải là đích đến mà chính là cuộc hành trình.
Thứ sáu ngoài trời:
Rừng tảo bẹ khổng lồ dưới nước đóng vai trò là nơi tụ tập của nhím biển và các sinh vật biển khác thường. (BBC Earth, lồng tiếng bởi David Attenborough).
Cảm ơn đã đọc, hãy tò mò và chúc các bạn cuối tuần vui vẻ! 🙂
Cảm ơn bạn đã ở với chúng tôi. Bạn có thích bài viết của chúng tôi? Bạn muốn xem nội dung thú vị hơn? Hỗ trợ chúng tôi bằng cách đặt hàng hoặc giới thiệu cho bạn bè, Giảm giá 30% cho người dùng Habr trên một máy chủ tương tự duy nhất của máy chủ cấp đầu vào do chúng tôi phát minh ra dành cho bạn: (có sẵn với RAID1 và RAID10, tối đa 24 lõi và tối đa 40GB DDR4).
Dell R730xd rẻ gấp 2 lần? Chỉ ở đây ở Hà Lan! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - từ $99! Đọc về
Nguồn: www.habr.com