The Krevety Mantis je barevný, 10 cm dlouhý obyvatel oceánu, jehož vzhled věnuje jeho pověsti jednoho z nejobávanějších predátorů na planetě.
Tito nenápadlí korýši používají přívěsek ve tvaru kladiva zvaný Dactyl Club, aby udeřili svou kořist na puchýře 23 m/s (Asi 50krát rychleji než mrknutí oka), rozbíjející se do těla chudého tvora jako kulku z body vystřeleného zbraně. Stávka uvolňuje dostatek energie na to, aby poslala malé rázové vlny okolní vodou.
Ale věc o zbraních je, že každá vystřelená střela má zpětný ráz. Je to Newtonův třetí zákon pohybu. Pokud střelná zbraň není bezpečně vyztužena proti tělu, aby ji absorbovala, může náhlý zpětný pohyb vést k vážným zraněním.
Přesto navzdory dostatečně nárazové kořisti na to, aby produkovaly rázové vlny, zůstávají krevety Mantis nezraněné. Jak je to možné?
Lasery odhalují štít
Tým vědců z USA a Francie našel odpověď ve specializované mikrostruktuře v klubu Shrimp’s Club Mantis. Zjistili, že tato struktura byla schopna fononického stínění – jedinečná schopnost, která jí umožňuje otupit tok akustických vln, a tak oslabit zpětný zpětný ráz, který mají krevety Mantis.
Jejich zjištění byla hlášeno v únoru v Věda.
Tým vypálil laserové impulsy na mikrostrukturu v rychlé sekvenci, která osvětlila jeho reakci při méně než jednu miliardu sekundy najednou. Sledovali to s numerickými simulacemi.
„Lidé se podívali na strukturu materiálu pod mikroskopem, ale neprozkoumali dynamické mechanické chování, zejména to, jak reaguje na šíření vln,“ uvedl Maroun Abi Ghanem, spoluautor studie a výzkumný pracovník v Centru National De La Recherche Scientifique, Francie.
„Podívali jsme se na toto chování zasláním vln strukturu a analyzovali jsme, jak interagovali s materiálem.“
Spouštěcí imploze
Klub Dactyl Krevety Mantis ukládá svou energii v jarních elastických strukturách držených pohromadě západkovými šlachami. Po vydání západky je klub vydán. Když se pohybuje, aby doručila svůj úder, vytlačuje okolní vodu a vytváří malé nízkotlaké zóny. Uvnitř těchto zón klesá hustota vody natolik, že se změní na páru a zanechává za sebou bublinu.
Když se tyto bubliny zhroutí v důsledku tlaku okolní vody, uvolňují značné množství tepla a rázových vln velmi vysokých frekvencí až stovky megahertzů.
Každý úder Dactyl-Club tedy přináší dva údery: jeden z vlastního úderu a druhý z kolapsů bublin a společně jsou schopni rozbít tvrdé skořápky škeble, mušlí a dalších korýšů.
Klub Dactyl má hierarchický design-jemně vyladěnou směs minerálních a organických materiálů uspořádaných ve třech vrstvách. Nejvzdálenější nárazový povrch je vyroben z tenkého, ale tvrdého anorganického materiálu zvaného hydroxyapatit, který distribuuje zpětný ráz a zabraňuje jeho hromadění v jednom bodě. Pod ní vrstva nárazu a periodická oblast obsahují biopolymerní vlákna uspořádaná ve vzoru, který vydrží opakovaný dopad s vysokou intenzitou, aniž by způsobil významné poškození.
Předchozí studie prozkoumaly strukturu materiálu a dopadu klubu. Nová studie šla o krok dále, aby zkontrolovala, zda periodická architektura materiálů zvyšuje její mechanický výkon.
Dělá to. Tým zjistil, že vnitřní uspořádání mikrostruktury slouží jako a Phononic Bandgap: Struktura, která brání energetickým vlnám určitých frekvencí v průchodu nebo alespoň výrazně oslabenou, Horacio Espinosa, studijní spoluautor a profesor mechanického a biomedicínského inženýrství na Northwestern University v Illinois, uvedl USA.
„Neuvěřitelný příklad“
Aby napodobil ultrarychlé klubové úder v laboratoři, tým použil pár pulzních laserů, které vyzařují velmi krátké záblesky světla: jeden pro generování energetických vln na povrchu materiálu a druhý je detekovat.
Když byl laser nasměrován na materiál, absorboval světlo a vyvolala termoelastickou expanzi, tj. Vytápění a rozšíření materiálu. To generovalo napětí na povrchu, jako miniaturní zemětřesení. Tým sledoval pohyb vlny skrz klub krevet, aby pochopil přenos energie v materiálu.
Čtení pomohlo vědcům čerpat disperzní diagramy – grafy, které odhalily bandgaps nebo specifické frekvenční rozsahy, kde vlny nemohly projít nebo byly značně oslabeny. Vzhled tohoto vzoru v datech naznačil týmu, že Krevety Mantis použily fononické stínění, aby se chránily před zpětným rázem.
„Ještě fascinující je, že naše zjištění naznačují, že struktura klubu nejenže odolává těmto intenzivním silám, ale může být také doladěna, aby ovládala, jak se skrze něj šíří vlny,“ řekl Espinosa. „Tato dvojí role strukturální robustnosti a manipulace s vlny je neuvěřitelným příkladem materiálů optimalizujících přírodu na více úrovních.“
Tady po celou dobu
Vědci po dlouhou dobu věřili, že materiály, které by mohly vést tok energie, by mohly být vytvořeny pouze v laboratoři, ne ve volné přírodě. Takové materiály se nazývají metamateriály: mají speciálně přizpůsobené geometrie k dosažení těchto účinků. Nové zjištění o Krevemech Mantis má tuto víru změnit. Příroda měla vždy metamateriály.
Zjištění studie lze také použít k vývoji syntetických materiálů pro filtrování zvuku pro použití v ochranném vybavení, jako jsou náušnice pro vojáky. Mohli by také inspirovat nové přístupy ke snížení zranění v armádě a sportu, uvedli vědci ve svém prohlášení.
„Pracujeme na biomimetických strukturách inspirovaných architekturou Krevety Mantis se zaměřením na zachycení vln,“ řekl Abi Ghanem. „Máme zájem o pochopení toho, jak vlny Structures Trap vlny, prozkoumáme, co můžeme s touto zachycenou energií dělat, a zda je možné převést zachycenou energii na jinou podobu.“
Sanjukta Mondal je chemik-otočený-vědecký spisovatel se zkušenostmi při psaní populárních vědeckých článků a skriptů pro kanály STEM YouTube.
Publikováno – 16. dubna 2025 05:30
