シャコは動物界で最も速く、最も強力なパンチを持っています。破壊棍棒と化した彼の触手はガラスさえも破壊し、ピストルの弾丸のような威力を持っています。研究者らは今回、この衝撃でクラブが壊れない理由を発見した。すでに知られているカニの甲羅の 3 層微細構造に加え、特殊なナノクリスタルのコーティングにより、減衰と硬度の組み合わせが保証されます。研究者らによると、人工材料でこのような規模で両方を組み合わせた例は前例がありません。
手のひらサイズのシャコ Odontodactylus scyllarus は、熱帯太平洋のサンゴ礁に生息しています。獲物を殺すために、このカニは特別な戦略を編み出しました。小魚や他の甲殻類が近づいたり、美味しそうなムール貝を見つけたりすると、オドントダクティルスは分厚い棍棒を爆発的に前方に投げつけます。彼らはボクサーの拳よりも速く獲物を攻撃し、厚い貝殻や貝殻さえも貫通することができます。 「衝突すると、カニは最大1,500ニュートンの力を発生させ、重力加速度の約1万倍でクラブを加速させることができます」とカリフォルニア大学アーバイン校のウェイ・ファン氏らは説明する。スマッシュクラブが打撃されると、秒速 23 メートルの速度が得られます。これは動物界で最も速い動きの一つです。それにもかかわらず、カラフルなカニの「ボクシング グローブ」は、何千回もの打撃を受けても損傷することなく耐えることができます。
バイザーの衝撃保護層
研究者らは数年前、がんがどのようにこれを行うかについて最初の情報を発見した。したがって、シャコの蝶棍は三層の素材で構成されています。 2 つの内側の層は主に螺旋状に巻かれた部分的に石化されたキチン繊維で構成されており、これにより殻は弾力性がありながらも強度が高くなります。曲がりくねった形状により、亀裂の広がりも防ぎます。クラブの外側は、髪の毛ほどの薄さのミネラル保護層で覆われていますが、衝撃の力の大部分を吸収します。これまでの研究で、この層は、歯の強度を与える鉱物であるハイドロキシアパタイトの特別に整列した結晶で構成されていることがすでに示されていました。しかし、この層がどのようにして打撃の力を正確に吸収できるかは、これまで不明であった。
研究のために、Huangらはまず、脱皮したてのシャコと、再び脱皮しようとしている古い標本の蝶のクラブの厚さわずか約70マイクロメートルの保護層の性質を調べた。予想どおり、クラブの新しい表面は滑らかで、損傷はありませんでした。 「対照的に、頻繁に使用された保護層の分析では、かなりの摩耗の兆候が示されました」と研究者は報告しています。 「これは、数千回の衝撃の過程で、この保護層の一部の材料が失われることを示唆しています。」次のステップでは、電子顕微鏡画像により、保護層が実際に大部分が有機マトリックスに埋め込まれたヒドロキシアパタイト ナノ結晶から構成されていることが確認されました。これまでの仮定に反して、これらの結晶自体は、さらに小さな粒子がいくつか集まって構成されています。科学者らが発見したように、それらの端は互いに平らに接しておらず、互いに向かって1.5度の角度でわずかに傾いています。
ナノクリスタルのエッジブレークが衝撃エネルギーを吸収します。
衝撃試験により、この特殊な構造の利点が明らかになりました。これを行うために、研究者らは原子間力顕微鏡を使用して、小さな球形または尖った衝突子をカニの足の保護層に衝突させました。彼らは、ナノクリスタルが衝撃を受けたときにどのように変化するかを観察することができました。 「比較的低い負荷では、粒子はほとんどマシュマロのように変形し、その後元の配置に跳ね返りました」とフアン氏の同僚であるデビッド・キサイラス氏は報告しています。高エネルギー衝撃の場合は状況が異なります。「その後、この層が硬くなり、ナノ結晶の界面が壊れます」と研究者は言います。衝撃により有機成分が固化すると同時に微小な結晶粒がずれてエッジが粉砕されます。これにより、ナノ結晶層の構造を破壊することなく、エネルギーの一部が吸収されます。同時に、Huang 氏と彼のチームが発見したように、この最小規模の破壊は衝撃波の浸透深さを約半分に減少させます。
「この相互侵入ネットワークにおける硬い無機成分と柔らかい有機成分の組み合わせにより、この層には剛性を失うことなく優れた減衰特性が与えられます」と Kisailus 氏は言います。これは、ほとんどの金属や工業用セラミックの性能をはるかに超える機能の非常にまれな組み合わせです。研究者らによると、シャコの衝撃保護層の構造に関する知識により、これらの特性を備えた人工材料を製造する新たな可能性が開かれたという。 「そのような材料は、建物、防弾チョッキ、航空機、自動車の耐衝撃性および耐振動性のコーティングから、風力タービンの耐浸食性のコーティングに至るまで、幅広い用途があるだろう」とフアン氏らは述べている。
出典: Wei Huang (カリフォルニア大学アーバイン校) 他、Nature Materials、 doi: 10.1038/s41563-020-0768-7
