Как маленькие муравьи разрезают большие ветки: раскрыт секрет уникальных зубов

Это делает их особо острыми — настолько, что таким «режущим инструментам» позавидовал бы любой плотник или хирург.

Недавнее исследование ученых из Университета Орегона и Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории (США) впервые показало, как атомы цинка увеличивают эффективность и поддерживают остроту изящных муравьиных зубов, с помощью которых насекомые могут с легкостью разрезать различные предметы.

Рассмотрим муравьиный зуб. Да, у муравьев есть зубы, это может подтвердить любой, кто когда-либо наступал на муравейник. Эти органы, которые по-научному называются  «нижнечелюстными зубами», потому что они прикреплены как бы снаружи их рта, сделаны из материала, который плотно связывается отдельными атомами цинка.

Эти уникальные органы насекомых десятилетиями привлекали доцента Орегонского университета Роберта Скофилда, который руководил этим исследованием. Его команда биофизиков разработала методы, которые позволяют измерять твердость, эластичность, энергию разрушения, стойкость к истиранию и ударопрочность в крошечных масштабах.

Однако эти методы все равно не позволяли увидеть структуру материалов, из которых состоят зубы муравьев и другие микроскопические органы животных. Поэтому исследователи привлекли к своей работе ученого-материаловеда Аруна Девараджа из Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории, который является экспертом в области специальной микроскопической техники — атомно-зондовой томографии. Он применил метод сфокусированного ионного пучка, чтобы взять крошечный образец иглы с кончика зуба муравья, а затем визуализировал этот образец иглы с помощью атомно-зондовой томографии. Используя эту технику, исследователи впервые увидели наноразмерное распределение атомов цинка в зубе муравья.

Ученые предположили, что цинк в зубах насекомых делает их более острыми, что позволяет муравьям использовать только 60% (а иногда и меньше) своей силы. Это гораздо меньше, чем они могли бы затрачивать, если бы их зубы состояли из тех же материалов, что содержатся в человеческих зубах. А поскольку требуется меньше силы, мышцы насекомых тратят меньше энергии. Эти преимущества могут объяснить, почему каждый паук, муравей, черви, ракообразные и многие другие группы организмов обладают такими «модифицированными» органами.

Исследователи отмечают, что инженеры могли бы взять на вооружение эту природную хитрость. При добавлении цинка, зубы муравьев могут становиться еще тверже — как пластик или даже как алюминий.

По словам ученых, изучение природы является одним из способов поиска вариантов улучшения и укрепления различных материалов. При исследовании в атомном масштабе, можно лучше понять, как изменение состава материалов влияет их устойчивость к повреждениям — в частности, на устойчивость к коррозии. Это особенно важно при проектирования конструкций, таких как атомные электростанции, которые должны сохранять свои свойства в течение многих десятилетий.