Un nou tip de material, descoperit în fălcile unui vierme marin. Are proprietăți pe care metalele nu le pot avea

O echipă internațională de cercetători a descoperit că fălcile unui vierme marin comun au proprietăți mecanice nemaivăzute până acum: se comportă parțial ca metalele obișnuite, dar prezintă și caracteristici care nu există la niciun metal cunoscut. Descoperirea ar putea deschide calea către dezvoltarea unor materiale ultrarezistente și foarte ușoare, fabricate la temperaturi normale, fără procese industriale costisitoare.

Rezultatele studiului au fost publicate în revista Biophysics Reviews.

Un nou tip de material, descoperit în fălcile unui vierme marin

Specia analizată este Perinereis cultrifera, un vierme marin cu peri, un prădător care își capturează și zdrobește prada cu ajutorul unor fălci ce măsoară doar aproximativ 2,5 milimetri.

Spre deosebire de dinți, oase sau cochilii, aceste fălci nu sunt alcătuite din minerale. Ele sunt formate din proteine structurale în care sunt încorporați ioni metalici, o combinație atât de neobișnuită încât cercetătorii au început să o considere o categorie aparte de materiale, denumită „bio-metale”.

Acest termen nu înseamnă doar că materialul conține metal, ci că ionii metalici sunt integrați într-o rețea de proteine într-un mod complet diferit de structura metalelor clasice.

Ce face un bio-metal atât de special

Profesorul Christian Hellmich, specialist în ingineria materialelor la Universitatea de Tehnologie din Viena și coordonator al studiului, explică faptul că diferența fundamentală constă în modul în care este organizat metalul.

„Atomii metalici nu formează o rețea cristalină, așa cum se întâmplă în metalele obișnuite. Ei există sub forma unor ioni individuali, legați de o matrice de proteine structurale”, a explicat cercetătorul.

Tocmai această structură conferă fălcilor o combinație neobișnuită de rezistență și flexibilitate.

Citește și: Noile specii de viermi inotatori care elibereaza `bombe`

Cum au fost testate fălcile viermelui

Pentru a înțelege proprietățile materialului, cercetătorii au folosit o tehnică numită nanoindentare. Aceasta presupune apăsarea unui vârf extrem de fin din diamant pe suprafața materialului și măsurarea adâncimii la care pătrunde.

Fălcile au fost secționate longitudinal, apoi lustruite, iar oamenii de știință au efectuat aproximativ o duzină de măsurători, de la vârful ascuțit până la baza acestora.

Rezultatele au arătat că vârful fălcii este semnificativ mai dur decât restul structurii. Analizele chimice au demonstrat și motivul: concentrația ionilor metalici este mult mai mare în această zonă, ceea ce îi conferă o rezistență suplimentară.

Descoperirea care i-a surprins pe cercetători

Cea mai interesantă observație a apărut atunci când oamenii de știință au modificat forța aplicată în timpul testelor.

Metale precum cuprul sau argintul prezintă un fenomen bine cunoscut, numit efect de dimensiune: la scară foarte mică, suprafața lor pare mai dură decât atunci când este supusă unei presiuni mai mari.

În mod surprinzător, fălcile viermelui au prezentat exact același comportament. Cu cât suprafața testată era mai mică, cu atât materialul opunea o rezistență mai mare la deformare.

Același fenomen fusese observat anterior și la alte specii de viermi marini cu peri, ceea ce sugerează că nu este o caracteristică izolată.

Există și o diferență majoră față de metale

Dacă metalele devin doar mai greu de deformat la scară redusă, elasticitatea lor rămâne aceeași. În schimb, în cazul fălcilor acestui vierme marin, cercetătorii au descoperit ceva complet diferit.

Pe măsură ce zona analizată devenea mai mică, materialul devenea nu doar mai dur, ci și mai rigid din punct de vedere elastic.

„Când am analizat în detaliu datele experimentale, am observat că fălcile prezintă și un efect elastic dependent de dimensiune, lucru pe care metalele clasice nu îl au”, a explicat profesorul Hellmich.

Pentru a înțelege fenomenul, echipa a construit un model matematic care reproduce structura materialului până la nivel atomic.

Simulările sugerează că această proprietate apare datorită modului în care forțele sunt distribuite prin rețeaua de proteine și ioni metalici, nu datorită unei structuri cristaline specifice metalelor.

Citește și: Descoperirea misterioasă: viermi strălucitori în pădurile peruviene

Și alți viermi folosesc metale în structura fălcilor

Perinereis cultrifera nu este singura specie care folosește metale pentru a-și întări aparatul bucal. Alți viermi prădători își consolidează fălcile cu cupru sau zinc, iar cercetările anterioare au arătat că aceste adaptări au evoluat independent în mai multe linii evolutive.

Unele specii produc adevărați „colți” negri, încărcați cu cupru, în timp ce altele folosesc zinc pentru a obține o rezistență similară.

În cazul lui Perinereis cultrifera, însă, metalul este integrat fără a forma minerale propriu-zise, ceea ce face ca acest material să fie diferit atât de rocile naturale, cât și de metalele convenționale.

De ce este importantă descoperirea

Pentru ingineri, această combinație este extrem de valoroasă. Viermele reușește să producă un material foarte rezistent într-un mediu marin rece, fără temperaturi ridicate, fără topire și fără procese industriale. Acest mecanism natural ar putea inspira dezvoltarea unor materiale noi, ușoare și durabile, fabricate cu un consum energetic mult mai redus decât cel necesar în prezent.

Potrivit cercetătorilor, natura a perfecționat această „tehnologie” în urmă cu aproximativ 500 de milioane de ani, oferind oamenilor de știință un model evolutiv pe care abia acum încep să îl înțeleagă.

În etapa următoare, echipa intenționează să studieze mai multe specii și să descifreze mecanismele genetice care controlează formarea acestor fălci neobișnuite.

„Natura este o resursă extraordinară de soluții tehnologice fascinante, cu o frumusețe remarcabilă care se dezvăluie la multiple niveluri”, a concluzionat profesorul Christian Hellmich.