ฟันของหอยลิมเพตได้รับการยืนยันว่าเป็นวัสดุธรรมชาติที่แข็งแกร่งที่สุด แซงใยแมงมุม (2015)

 (smithsonianmag.com)
1 คะแนน โดย GN⁺ 4 시간 전 | 1 ความคิดเห็น | แชร์ทาง WhatsApp
  • ผลการทดสอบฟันของหอยทะเลกลุ่มหอยลิมเพตโดยนักวิจัยจากสหราชอาณาจักรพบว่า ความต้านทานแรงดึง สูงกว่าส่วนใหญ่ของใยแมงมุมเฉลี่ยราว 5 เท่า จึงเป็นวัสดุธรรมชาติที่แข็งแกร่งที่สุดเท่าที่มีการวัดมา
  • ฟันมีโครงสร้างเชิงประกอบ โดยมี เส้นใยนาระดับ goethite ซึ่งเป็นผลึกที่มีธาตุเหล็กอยู่ภายใน ถูกห่อหุ้มด้วยเมทริกซ์โปรตีน
  • ค่าขีดบนของความแข็งแกร่ง สูงกว่า Kevlar มาก และใกล้เคียงกับคาร์บอนไฟเบอร์คุณภาพสูงที่สุด แต่ยังไม่ถึงระดับวัสดุสังเคราะห์ที่แข็งแกร่งที่สุดอย่างกราฟีน
  • หอยลิมเพตยึดเกาะหินด้วยเท้ากล้ามเนื้อและสารคัดหลั่งด้วยแรง 75 ปอนด์ต่อตารางนิ้ว และใช้ฟันที่ฝังอยู่ใน radula กินอาหารพร้อมขูดผิวหิน
  • เกณฑ์ที่ใช้เปรียบเทียบในที่นี้คือ ความต้านทานแรงดึง หรือความสามารถในการไม่ขาดเมื่อถูกดึง ซึ่งต้องแยกจากความต้านทานแรงอัดหรือความแข็งที่ต้านการขีดข่วนและการตัด

โครงสร้างและความแข็งแกร่งของฟันหอยลิมเพต

  • หอยลิมเพตเป็นหอยทะเลที่อาศัยเกาะแน่นอยู่บนโขดหินที่ถูกคลื่นซัด โดยใช้ ‘เท้า’ ของสัตว์ไม่มีกระดูกสันหลังเนื้อนิ่มที่มีกล้ามเนื้อ และสารคัดหลั่งทางเคมีเพื่อยึดติดได้ด้วยแรง 75 ปอนด์ต่อตารางนิ้ว
  • เวลากินอาหาร มันจะใช้ radula ซึ่งเป็นลิ้นที่มีฟันจำนวนมากฝังอยู่ ขูดผิวหิน
  • ในการทดลอง วัสดุฟันนี้แสดง ความต้านทานแรงดึงสูงกว่าใยแมงมุมส่วนใหญ่เฉลี่ยราว 5 เท่า
    • ทีมวิจัยเปรียบเทียบความแข็งแกร่งนี้ว่าเทียบได้กับเส้นสปาเกตตีหนึ่งเส้นที่รองรับถุงน้ำตาลหนัก 1 ปอนด์ได้ราว 3,300 ถุง
    • มีการอธิบายว่าสามารถทนแรงดันได้ถึงระดับที่เปลี่ยนคาร์บอนให้กลายเป็นเพชรได้ แต่หมายเหตุจากบรรณาธิการก็ชี้ชัดแยกต่างหากว่าเกณฑ์การเปรียบเทียบในบทความนี้คือความต้านทานแรงดึง
  • ฟันมีโครงสร้างที่ เส้นใยนาระดับ goethite ซึ่งเป็นผลึกที่มีธาตุเหล็กอยู่ภายใน ถูกห่อหุ้มด้วยเมทริกซ์โปรตีน
    • ค่าขีดบนของช่วงที่วัดได้สูงกว่า Kevlar อย่างมาก และใกล้เคียงกับคาร์บอนไฟเบอร์คุณภาพสูงที่สุด
    • แต่ยังอ่อนกว่าวัสดุสังเคราะห์ที่แข็งแกร่งที่สุด รวมถึงกราฟีน
  • ผลการวิจัยตีพิมพ์ใน Journal of the Royal Society Interface

คุณสมบัติของวัสดุที่แตกต่างกันและการใช้งานทางวิศวกรรม

  • หากเปรียบเทียบวัสดุแข็งแกร่งบนโลกในภาพกว้าง จะมีนาโนวัสดุสังเคราะห์ที่แข็งแกร่งกว่าเพชร และในธรรมชาติก็มีวัสดุหายาก 2 ชนิดที่ทนความเค้นได้มากกว่าเพชร
    • wurtzite boron nitrate มีการจัดเรียงอะตอมคล้ายเพชร และประกอบด้วยโบรอนกับไนโตรเจน
    • lonsdaleite ประกอบด้วยคาร์บอนเช่นกัน แต่มีโครงสร้างหกเหลี่ยมแทนโครงสร้างลูกบาศก์แบบเพชร และอาจเกิดขึ้นเมื่ออุกกาบาตที่มีกราไฟต์พุ่งชนโลก
    • lonsdaleite สามารถทน ความเค้นได้มากกว่าเพชร 58%
  • อย่างไรก็ตาม การเปรียบเทียบกับ wurtzite boron nitrate นั้นเกี่ยวกับ ความแข็ง ที่ต้านการขีดข่วนหรือการตัด ไม่ใช่ความต้านทานแรงดึง จึงไม่ควรตีความเป็นการจัดอันดับตามเกณฑ์เดียวกับฟันหอยลิมเพต
  • วัสดุที่ทั้งแข็งแรง ทนทาน และยืดหยุ่น มีประโยชน์ต่อการพัฒนาวัสดุ โครงสร้าง และเครื่องจักรรุ่นถัดไป และโครงสร้างเชิงประกอบของฟันหอยลิมเพตก็กลายเป็นเป้าหมายการวิจัยด้าน วัสดุชีวเลียนแบบ ใหม่ๆ

บทความที่เกี่ยวข้อง

1 ความคิดเห็น

 
GN⁺ 4 시간 전
ความเห็นจาก Hacker News

  • ถ้าอยากดูรูป บทความวิจัยนี้มีข้อมูลดี ๆ เยอะ: https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/ece3.10332
    เวลาเอานิ้วไปจ่อหน้าทาก มันจะพยายามแทะกิน ซึ่งตอนนี้ผมเพิ่งเข้าใจว่าทำไมมันถึงให้ความรู้สึก สากเหมือนกระดาษทราย

    • ทากสวนแถวซีแอตเทิล ถ้าปล่อยให้มันคลานบนผิวหนัง มันสามารถกัดเล็ก ๆ จน มีเลือดออกได้จริง
    • คล้ายกับ ปุ่มเคราติน บนลิ้นแมว แต่มีขนาดเล็กกว่ามาก
    • ถ้าคุณรู้สึกว่ามีอะไรแข็งกว่าผิวหนัง นั่นไม่ใช่แค่พยายามกิน แต่คือมันกินเข้าไปจริง ๆ
    • เนื้อหานี้ชวนขนลุกกว่าที่คิดมาก

  • แทนที่จะเปรียบว่า “เส้นสปาเกตตีเส้นเดียวสามารถยกน้ำตาล 1 ปอนด์ได้ 3,300 ถุง” น่าจะพูดว่าเป็น รถเก๋งขนาดกลาง จะชัดเจนกว่ามาก

    • ในบทความต้นทางของ BBC เขียนว่า “เส้นสปาเกตตีเส้นเดียวสามารถยกน้ำตาล 0.5 กก. ได้ 3,000 ถุง”
      เป็นการเปรียบ 1,500 กก. ด้วยสิ่งของที่ผู้ชมชาวอังกฤษคุ้นเคย แต่พอ Smithsonian แปลงหน่วย กลับเปลี่ยนเป็น ถุงน้ำตาล 1 ปอนด์ ที่คนอเมริกันยิ่งไม่คุ้นกว่าเสียอีก ในอเมริกาแทบไม่เคยเห็นถุงน้ำตาล 1 ปอนด์ แต่ในอังกฤษถุง 500 กรัมแม้จะเล็กหน่อยก็ยังถือว่าพบได้ทั่วไป
      https://www.bbc.com/news/science-environment-31500883
      https://www.sainsburys.co.uk/gol-ui/product/sainsburys-white...
    • มันเป็นการเปรียบเหมือนกับว่าทุกคนย่อมรู้จากประสบการณ์ดีว่าน้ำหนักของน้ำตาล 1 ปอนด์จำนวน 3,300 ถุงเป็นเท่าไร และต้องใช้แรงแค่ไหนในการยกมันขึ้นมา ส่วนรถขนาดกลางนั้นขอบเขตกำกวมกว่า และในความเป็นจริงก็ไม่มีใครเคยเห็นคนยกมันด้วย
    • ปัญหาไม่ได้มีแค่ถุงน้ำตาล แต่คำว่า เส้นสปาเกตตีเส้นเดียว เองก็ไม่ชัดเจน
      ไม่รู้ว่าหมายถึงตามน้ำหนักหรือปริมาตร เป็นสปาเกตตีต้มที่นิ่มงอได้ หรือเป็นแบบแห้งที่เปราะหักง่าย สปาเกตตีเองก็ไม่ใช่วัตถุที่คนเรารู้ค่าความต้านแรงดึงตามสัดส่วนได้อย่างเป็นธรรมชาติ จึงยากจะเข้าใจว่าการเปรียบนี้ต้องการให้เห็นภาพอะไร
    • น้ำหนักก็ยังต่างกันอีก ขึ้นอยู่กับว่าจะหมายถึงรถขนาดกลางแบบยุโรปหรือแบบอเมริกัน

  • แทนที่จะสื่อสารน้ำหนักด้วยจำนวนถุงแบบ “น้ำตาล 1 ปอนด์ 3,300 ถุง” พูดว่าเป็น รถยนต์นั่งสมัยใหม่หนึ่งคัน น่าจะดีกว่า

    • ยังต้องไปเถียงต่อด้วยว่า ระหว่างขนนกกี่กิโลกับเหล็กกี่กิโล อันไหนยกได้มากกว่ากัน: https://www.youtube.com/watch?v=-fC2oke5MFg
    • ทุกครั้งที่เห็นการเปรียบด้วยหน่วยเวอร์ ๆ แบบนี้ มันให้ความรู้สึกเหมือนมุกตลกขำ ๆ

  • ผมเพิ่งรู้เรื่องฟันหอยทากครั้งแรกจาก The Sound of a Wild Snail Eating ของ Elisabeth Tova Bailey
    เป็นงานสารคดีสั้น ๆ ที่งดงาม เล่าเรื่องผู้หญิงคนหนึ่งที่ระบบประสาทมีความผิดปกติจากการติดเชื้อหายากจนแทบต้องนอนติดเตียงอยู่หลายปี จากนั้นเธอสังเกตหอยทากที่เพื่อนนำมาจากป่ามาวางไว้ข้างเตียง และเริ่มศึกษาสัตว์จำพวกมอลลัสก์อย่างลึกซึ้งผ่านหนังสือห้องสมุดสาธารณะ หลังจากอ่านให้ลูกฟังแล้ว ผมยังเคยนอนอยู่ในทุ่งเพื่อฟังเสียงทากเคี้ยวพืชดัง “แฉะ ๆ แฉะ ๆ” ด้วยตัวเอง

  • ถ้าสังเกตหอยทากในตู้ปลา จะเห็นว่ามันแทะอะไรบางอย่างแทบตลอดเวลา ผมสงสัยมาตลอดว่าฟันเล็ก ๆ ที่ไม่เคยพักพวกนั้นรักษาสภาพให้สมบูรณ์ได้อย่างไร และคำตอบก็คือ โครงสร้างของฟันและวิธีการงอกใหม่

  • ผมอยากดูรูปฟันหอยทาก

  • บทความวิจัยต้นฉบับ อยู่ที่ลิงก์นี้ และลิงก์ในเนื้อข่าวเสียหมดแล้ว
    https://royalsocietypublishing.org/rsif/article/12/105/20141...

  • งานวิจัยนี้เป็น บทความปี 2015 และในปี 2017 มีการแก้ไขเพิ่มเติมที่เป็นประโยชน์เกี่ยวกับความแตกต่างระหว่างแรงอัดกับแรงดึง

    • ความแข็งก็เป็นคุณสมบัติอีกอย่างหนึ่งต่างหาก เพชรนั้นแข็งมาก แต่เพราะคุณสมบัตินั้นเองจึงสามารถแตกได้เมื่อโดนค้อนกระแทก