龍蝦尾膜是最堅韌天然水凝膠,啟發新型防彈衣設計靈感

作者 | 發布日期 2019 年 02 月 22 日 17:58 | 分類 尖端科技 , 材料 , 材料、設備 follow us in feedly


如果你吃龍蝦時意外咬到龍蝦尾巴下方,會發現有一層很難嚼碎的半透明膜。有問題的不是你的牙齒,麻省理工學院工程師現在發現,龍蝦尾部膜是世上最「硬」的天然水凝膠材料,強度與汽車輪胎一樣堅韌,甚至可成為防彈衣理想材質。

水凝膠通常由懸浮在水中的一種或多種聚合物組成,幾十年來,科學家專注於水凝膠的生醫應用,比如傷口癒合、骨再生等,這陣子則開始出現軍事應用,比如戰場用來止血的醫用敷料、能吸收汗液或其他液體以保持手部乾燥的手套等。

凡是水溶性或親水性的高分子都可以形成水凝膠,差別主要在於穩定性,天然水凝膠如膠原、動物皮、天然橡膠等,生物相容性高、來源豐富、價格低廉,唯一缺點是容易降解,難以應用。

而麻省理工學院團現在找到了世界最堅韌的天然水凝膠材料,你只要把龍蝦翻過身,看到那層覆蓋尾巴的半透明膜就是了。

(Source:麻省理工學院

實驗結果表明,龍蝦尾膜由 90% 水、10% 甲殼素組成,但與工業橡膠複合材料如:汽車輪胎、水管、輸送帶一樣強韌,它具有微觀、分層的夾板結構,高度耐受刮擦切割,當龍蝦掠過岩石海底時,這種薄膜可以保護龍蝦腹部;膜也具有彈性,除了讓龍蝦可以前後拍打尾巴,也讓掠食者難以咬住尾巴就將龍蝦四分五裂。

為了測試膜的強度,團隊首先將切片的膜樣品放到機器中延展,發現剛開始時膜很鬆軟且易拉伸,可是一旦拉到初始長度 2 倍長,膜就開始變硬、耐拉力也增強;接著,團隊用手術刀切開膜約一半厚度,此時膜感覺要斷不斷,但神奇的是,膜依然可以拉得很長。

研究人員使用電子顯微鏡放大膜的微觀結構,看見膜的結構非常類似膠合板(plywood,也稱夾板),一片厚度僅 0.25 公厘的薄膜便由數萬層幾丁質纖維層組成,每層的纖維角度全部相同、與上層纖維精確偏移 36 度。回顧現代工業的膠合板科技木材,每層木紋也與上、下層木紋成直角。

▲ 膠合板。(Source:Flickr/Haldane Martin CC BY 2.0)

團隊依此設計了幾丁質纖維角度相同、角度不一的兩種人工水凝膠,測試後確認,纖維角度不一的水凝膠拉伸時極容易斷裂。

研究人員相信,具有如此獨特微觀分層結構的尾膜,可能是龍蝦能在地球生存超過 1 億年的關鍵原因,研究到最後或許還可以獲得新型防彈衣的設計靈感,尤其是包覆膝蓋、手肘關節的材質。論文發表在《材料學報》(Acta Materialia)。

(首圖來源:pixabay

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