一項(xiàng)新的研究揭示了某些深海蝦類(lèi)的外殼是如何確保它們?cè)谒聰?shù)千英尺的熱液噴口生存下來(lái)的。

　　“居然有一種現(xiàn)存的生物物種可以生存在如此極端的環(huán)境之中。”普渡大學(xué)航空航天系的副教授Vikas Tomar說(shuō)。“蝦類(lèi)是進(jìn)化論的一個(gè)偉大實(shí)例，因?yàn)槟憧梢栽谑澜绮煌疃鹊牡胤秸业礁鞣N各樣的品種，和一系列適應(yīng)環(huán)境的變化。”

　　他和幾個(gè)博士生Tao Qu、Devendra Verma、Yang Zhang、Chandra Prakash一起，對(duì)比了深海脊盲蝦和淺海點(diǎn)蝦的外骨骼。這種深海蝦生存在距離海面2000米的火山熱液噴口附近，那里的溫度超過(guò)了400攝氏度，相反淺海蝦只生存在海洋淺層。

　　“我們想搞清楚進(jìn)化是如何影響這兩種蝦類(lèi)外骨骼的材料變化，使得它們能在完全不同的環(huán)境中很好的生存。”Tomar說(shuō)。

　　研究這種材料的復(fù)合分子反應(yīng)，有助于設(shè)計(jì)能夠承受極端環(huán)境的新式人造盔甲。

    研究者正在探索外骨骼的兩個(gè)關(guān)鍵元素之間的標(biāo)準(zhǔn)界面?zhèn)鳠嵯禂?shù)：一種是蛋白質(zhì)稱(chēng)為甲殼質(zhì)，還有另一種類(lèi)骨骼礦物稱(chēng)為方解石。這兩種類(lèi)型的材料 - 一種是有機(jī)和一種是無(wú)機(jī)的，它們之間的標(biāo)準(zhǔn)界面?zhèn)鳠嵯禂?shù)是決定外骨骼外在表現(xiàn)的關(guān)鍵。

　　利用實(shí)驗(yàn)的電子顯微鏡掃描和電子衍射能譜的技術(shù)，研究和分析了10份外骨骼樣本，揭示了其中的結(jié)構(gòu)和化學(xué)成份的細(xì)節(jié)。

　　這些兩個(gè)物種的外骨骼都具有相同的微觀(guān)結(jié)構(gòu)：甲殼質(zhì)、方解石和其他一些成份排列成分層的螺旋狀結(jié)構(gòu)，就像螺旋樓梯一樣。然而，還是顯示出結(jié)構(gòu)中的一些不同之處：密度、厚度還有礦物質(zhì)的含量。深海蝦的外骨骼擁有更密集的結(jié)構(gòu)。

　　令他們吃驚的是，研究人員發(fā)現(xiàn)淺海蝦的外骨骼比深海蝦強(qiáng)韌10倍。

　　“直觀(guān)上，你會(huì)認(rèn)為密集的結(jié)構(gòu)會(huì)更結(jié)實(shí)，實(shí)際卻恰恰相反。”Tomar說(shuō)。

　　最新的研究在于探索甲殼質(zhì)和方解石之間的標(biāo)準(zhǔn)界面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，以及這些機(jī)制對(duì)于外骨骼性能的影響。這有助于確定這種結(jié)構(gòu)是如何轉(zhuǎn)移壓力的。

　　結(jié)果顯示深海蝦的外骨骼是柔軟的，但能夠承受高溫和極端的壓力。淺海蝦的外骨骼是堅(jiān)硬的，有利于抵御掠食者。

　　“雖然擁有相同的微觀(guān)結(jié)構(gòu)，但它們是完全不同的材料。”Tomar說(shuō)。

　　通過(guò)建模模擬材料相互的作用求出界面粘度，有助于更精確地對(duì)高分子陶瓷復(fù)合材料的應(yīng)力應(yīng)變建模。研究人員據(jù)此開(kāi)發(fā)了一種“粘塑性定律”或者說(shuō)數(shù)學(xué)方程式。

　　傳統(tǒng)的高分子陶瓷復(fù)合材料模型的不足之處在于，該模型的關(guān)鍵是處于峰值強(qiáng)度，但是材料更有可能是由于高度的張力或者拉力而失效。

　　“雖然我們已經(jīng)有了失效理論，但該理論是通過(guò)強(qiáng)度來(lái)預(yù)測(cè)的。”Tomar說(shuō)。“對(duì)于這些材料來(lái)說(shuō)，張力更為至關(guān)重要的，所以為了確保它們不被破壞，必須保持在某一水平下的形變。”

　　研究結(jié)果主要在于水在為外骨骼的分子結(jié)構(gòu)提供強(qiáng)度上，扮演了至關(guān)重要的角色。研究人員還創(chuàng)建了一個(gè)“標(biāo)準(zhǔn)界面?zhèn)鳠釁?shù)”來(lái)模擬特定組合的復(fù)合材料的可能表現(xiàn)，鑒于化學(xué)成份、微觀(guān)結(jié)構(gòu)和界面參數(shù)的類(lèi)型。

　　在相關(guān)研究中，該團(tuán)隊(duì)與維也納技術(shù)大學(xué)合作研究膠原蛋白和人類(lèi)骨骼之間的標(biāo)準(zhǔn)界面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，還有骨骼隨時(shí)間的形變。這項(xiàng)研究在4月的材料研究學(xué)會(huì)通報(bào)里進(jìn)行了詳細(xì)說(shuō)明。這一發(fā)現(xiàn)可能有助于更好地模擬醫(yī)療植入物的行為。