В классической игре «20 вопросов» можно начать с распространенного вопроса: «Животное, растение или минерал?» Для древнего морского червя Perinereis cultrifera (который существует и по сей день) ответ может быть не таким простым. Как и у других хищных щетинкочелюстных, у Perinereis cultrifera есть челюсти, состоящие из структурных белков и ионов, которые используются для поедания, дробления и укусов. Уникальный состав и свойства этих челюстей побудили исследователей ввести новый термин для описания подобных материалов — биометаллы. Это новая область биофизических исследований.
Термин «биометалл» выходит за рамки таких обозначений, как «металлоподобные биоматериалы» или «биоматериалы с металлоподобными свойствами», которые использовались в научной литературе для описания биоматериалов с проводимостью или прочностью, схожими с характеристиками металлов. Биометаллы можно разделить на три категории по трем признакам: твердость, механика деформации и ионно-белковая структура.
В журнале Biophysics Reviews исследователи из Венского технического университета и Венского университета опубликовали результаты изучения металлических свойств морского червя.
Исследователи начали с изучения твердости с помощью метода наноиндентирования, при котором в материале создаются микроскопические углубления, а также с химического анализа и визуализации. Подтвердив результаты более ранних исследований, ученые показали, что концентрация ионов металлов на кончиках челюстей выше, чем в центре, что и приводит к повышению их твердости.
Затем ученые исследовали челюсть червя, нанося на нее вмятины разной глубины, и, к своему удивлению, обнаружили явление, характерное для таких металлов, как медь или серебро, известное как эффект размера при наноиндентировании по Никсу — Гао: чем меньше участок челюсти червя, тем сложнее на нем оставить вмятину из-за большего пространственного изменения уровня деформации. Это приводит к усилению сцепления трещин в атомной структуре и является отличительной чертой эффекта размера.
Несмотря на эти сходства, биометаллы все же уникальны по своим механическим свойствам. «Челюсти щетинкочелюстных червей также демонстрируют эластичность, зависящую от размера. Это отличительная особенность биометаллов по сравнению со стандартными кристаллическими металлами, такими как медь или серебро», — сказал автор работы Кристиан Хельмих.
Наконец, исследователи теоретически объяснили эффекты эластичности в зависимости от размера с помощью математического моделирования процессов, происходящих на атомном уровне. По словам Хельмиха, это лишь малая часть исследования: «Мы планируем расширить экспериментальную базу данных, исследуя дополнительные виды, чтобы усовершенствовать теоретическую концепцию и провести специальные вычисления, а также — что, пожалуй, самое интересное — изучить связь между генетическими вмешательствами и соответствующим пространством для разработки материалов, — сказал он. — Все это делается с неподдельным интересом к красоте, элегантности и утонченности, которые дарит нам природа».
[Фото: Zelaya-Lainez et al. / American Institute of Physics]
