Живущая в глубинах Тихого океана стеклянная губка обладает поразительной способностью противостоять сжатию и сгибанию, не говоря уже о других её необычных свойствах
Морская губка «Венерина цветочная корзина»
В 1841 английский биолог Ричард Оуэн с изумлением изучал замысловатый скелет недавно открытой морской губки, обитающей вблизи Филиппин. Он писал, что её скелет «напоминает изысканный рог изобилия», сотканный из «жёстких, блестящих эластичных нитей, чего-то вроде тончайших волосков кручёного стекла». Скелет и правда был стеклянным – это животное, Euplectella aspergillum, прозванное «венериной цветочной корзинкой», изготавливает его при помощи кислоты, извлекаемой из морской воды.
180 лет спустя учёные всё ещё изумляются этой губке. Среди её интересных свойств есть потрясающе долгая продолжительность жизни. Считается, что некоторые стеклянные губки живут многие тысячи лет, что делает их одними из самых долгоживущих животных. Кроме того, губка умеет проводить свет через свои кварцевые нити, как оптоволокно. В последние два десятилетия группа биологов, материаловедов и инженеров из Гарвардского университета сконцентрировались на той особенности губки, которая изначально заинтересовала Оуэна – замысловатой схеме строения её скелета. Последняя работа описывает его чрезвычайную прочность, природа которой не ясна. Похоже, что он обладает максимальной прочностью, которая вообще возможна для подобной структуры.
«Это почти что святой Грааль инженерных проектов», — сказал Друв Бате, адъюнкт-профессор инженерного дела из Аризонского государственного университета, изучающий венерину цветочную корзину, но не участвовавший в упомянутой работе.
Прочность скелета основана на необычном строении его решётки. Впервые им 20 лет назад заинтересовалась гарвардский материаловед и химик Джоанна Айзенберг. Катя Бертолди, одна из соавторов Айзенберг, тоже была очарована рисунком решётки, как только увидела её. «У неё архитектура периодическая, но не простая», — сказала Бертолди. Они с коллегами задумались: «Почему же архитектура получилась именно такой?»
Они отметили, что у стеклянных нитей, составляющих скелет венериной цветочной корзины, много общего с фермами, используемыми для стабилизации мостов и небоскрёбов. Вот уже более ста лет инженеры предпочитают делать фермы из прочных решёток в виде квадратной сетки с диагоналями, придающими ей прочность. «Мы уже давно делаем это одним и тем же способом», — сказал Матеус Фернандес, аспирант из команды исследователей. Но в скелете венериной цветочной корзины есть пары диагоналей, идущих в обоих направлениях – в отличие от типичных ферм, использующих единственную диагональ. Пары диагоналей разнесены в пространстве, из-за чего сетка похожа на шахматную доску, на которой диагонали пересекают каждый второй квадрат.
На увеличенной фотографии скелета видна периодическая решётка. Размер ячеек – порядка 2,5 мм.
Исследователи изготовили, а также симулировали на компьютере решётку на основе скелета губки, и сравнили её с тремя другими схемами решёток, имеющих похожий вес, включая и стандартные фермы. В симуляциях и экспериментах обнаружилось, что решётка, изготовленная по биологическому образцу, выдержала наибольшие нагрузки. Испытывалось сжатие в одном направлении, а также давление на три точки. В последующих симуляциях учёные меняли количество диагональных нитей, расстояние между ними и их толщину, чтобы подобрать наиболее прочную решётку. Наиболее прочной оказалась решётка, сделанная по образу скелета губки.
Фернандес говорит, что дополнительные диагонали дают решётке больше мест соединения нитей, чем у обычной фермы, и уменьшают расстояние между соединениями. Возможно, это позволяет структуре выдерживать большее давление. Команда подробно описала свои первоначальные открытия, касающиеся прочности скелета, в сентябре в журнале Nature Materials. Один из соавторов работы, Джеймс Уивер, сказал, что сейчас авторы находятся в процессе более «глубокого погружения» в разные аспекты этих стеклянных скелетов.
Также исследователи подают заявку на патент, регистрируя созданную ими на основе скелета решётку. Если структурам можно будет добавить прочности, не добавляя веса, теоретически получится строить более длинные мосты, более лёгкие компоненты, которые будет проще перевозить, и даже создавать более изящные конструкции для использования в космосе. «Процесс проб и ошибок, идущий миллионы лет эволюции, выбирает наилучшие варианты» для материалов, как сказал Пабло Заватьери, профессор гражданского строительства из университета Пердью.
Однако в случае венериной цветочной корзины эволюционная цель несжимаемости губки неясна.
Прочная губка: в экспериментах и компьютерных симуляциях выяснилось, что решётка, смоделированная по образу скелета губки Euplectella aspergillum, способна выдержать гораздо большие нагрузки, чем другие решётки, популярные в строительстве.
Губки часто живут на глубинах в тысячи метров, при экстремальном давлении воды, однако это давление действует во всех направлениях, одинаково сдавливая стеклянные нити со всех сторон, что нивелирует его воздействие. Губка не испытывает «сокрушительного давления», пояснил Клинт Пеник, биолог из Кеннесонского государственного университета в Джорджии.
Пеник сказал, что губке нужна прочная структура, но для того, чтобы стоять вертикально и фильтровать содержащийся в воде планктон. Также ей необходимо сдерживать пару креветок, которые часто навсегда поселяются внутри губки, когда вырастают до размера, слишком большого для того, чтобы её покинуть. Эта её особенность заслужила для губки статус символа вечной любви в Японии, где её дарят на свадьбу. Также крепкие скелеты губок могут противостоять хищникам и другим животным, сталкивающимся с губками, добавил Пенек, хотя ничто из этого не объясняет необходимость в такой чрезмерной прочности.
Венерина цветочная корзина может предложить не только значительную прочность. Образующие сетку стенки – лишь один из нескольких уровней сложности её структуры. На микроуровне её волокна могут немного сдвигаться в рамках сетки, а расположение белков и молекул кварца предотвращают распространение трещин. На макроуровне кружевной скелет помогает губке фильтровать воду. Команда Бате исследует, как работает ещё одно свойство губки: из-за того, что некоторые нити не полностью подсоединены к другим, губка обладает определённой гибкостью. Также им интересно, почему её структура устойчива к перекручиванию.
«Это одна из тех тем, на которые можно потратить целую жизнь, и всё равно не воспроизвести всех возможностей, — сказал Бате. – Поэтому это так здорово».
RanmaSao
Ироничненько, у природы prior art, у отдельных Homo Sapiens патент. При этом другие исследователи в этой же области и относящиеся к Homo Sapiens далее будут фактически блокированы патентом.
v1000
Ну тут как бы спорный момент. Сама структура существовала и раньше, а как до нее дошли-подсмотрев у природы или придумав с нуля, это не существенно. Потому что до этого ее не применяли.
Опять-же, не каждый, кто смотрит, может заметить. Так что это тоже сродни изобретательству.
Spiki77
Перестаньте, существенно, так можно патентовать всё что угодно, и человека в том числе. Автор поста, правильно заметил, они ничего не изобрели, они подсмотрели, и решили нажиться на этом, это обычная алчность.
v1000
Тоже спорно. Вроде были попытки запатентовать дыхание, чтобы заставить всех платить «за воздух» или что-то подобное. Но это скорее мошенничество. Тем более вроде есть правило, по которому нельзя патентовать общеизвестное. Так что «запатентовать человека» вряд ли получится. Даже этот патент на структуру губки нельзя применять против тех, кто выращивает и продаёт губки. Потому что это природная основа изобретения. Но вот создавать новые структурные конструкции такого типа уже нельзя. Потому что теперь известно как именно их надо делать. В этом и есть суть изобретения.
Zoolander
Но человеческие гены одно время патентовали, это гуглится даже сейчас. Потом это вроде бы отменили, но желающие вернуть закон — остались. Очень много патентов связано с генами
Spiki77
Дополню, если вам конечно интересно будет, погуглите по фразе «Патентный тролль», почитайте статью в вики. Те кто подал заявку на патент это по сути, патентные тролли. Это люди паразиты, которые только судятся из-за патентов, что-бы кого-то ободрать, но больше ничего, не делают. Они не двигают прогресс вперёд, они судебными исками, только его тормозят.
Пример: В октябре 1999 года в России был опубликован патент за номером 2 139 818 на изобретение «Сосуда стеклянного», описание которого полностью соответствует обыкновенной стеклянной бутылке. Патентообладатель, ООО «Технополис», пытался потребовать от компаний, производящих пиво и безалкогольные напитки, лицензионных отчислений в размере не менее 0,5 % от выручки. В настоящее время патент аннулирован по решению Палаты по патентным спорам.
ООО «Технополис» — Ведь тоже подсмотрело у кого-то :)
Stas911
Часто патенты оформляют как раз для защиты от патентных троллей. Ибо что бы им помешало запатентовать эту конструкцию, если она в научной статье обсуждается?