Viele berühmte Erfinder waren aufmerksame Beobachter, die es ihnen ermöglichten, viele Ideen aus der Natur auszuspionieren, die Wissenschaftler bis heute zu Entdeckungen inspirieren. So stellte der Physiker Robert Schofield fest, dass viele Wirbellose trotz ihrer geringen Größe über sehr haltbare “Werkzeuge” verfügen. Damit sich eine Zecke beispielsweise in ein Tier eingraben kann, muss sie durch dicke, behaarte Haut stechen. Blattschneideameisen müssen sich durch zähe tropische Blätter nagen, und gefleckte Laternen nagen in der Regel die Rinde von Bäumen, um an den Saft zu gelangen, und solche Beispiele können noch lange angeführt werden. Robert Schofield interessierte sich für die Frage: Was ist das für ein Material, das kolossalen Belastungen standhält und unversehrt bleibt? Wissenschaftler wissen seit langem, dass es Schwermetalle wie Zink, Kupfer und Mangan enthält. In einigen Körperteilen einzelner wirbelloser Tiere erreicht der Gehalt an Schwermetallen 20% der Masse. Gleichzeitig hatten die Wissenschaftler keine Ahnung, wie diese Metalle mit Proteinen verbunden sind. Durch die Auseinandersetzung mit diesem Thema konnten Robert Schofield und sein Forscherteam die Antwort finden. Dazu musste er Proteine und Metalle auf molekularer Ebene untersuchen. Wie sich herausstellte, bestehen wirbellose „Werkzeuge“ aus einem einzigartigen haltbaren Verbundmaterial, das Wissenschaftler später als Biomaterial der schweren Elemente bezeichneten.
Wissenschaftlern ist es gelungen, das Geheimnis des ultrastarken Materials zu lüften, aus dem “Werkzeuge” bestehen. einige Wirbellose
Was ist das Geheimnis des natürlichen Materials von Wirbellosen
Um das Geheimnis der Stärke einzelner Körperteile von Wirbellosen aufzudecken, untersuchten Schofield und seine Kollegen vom Pacific Northwest National Laboratory in Oregon die Körper von Ameisen, Spinnen, Skorpionen, Weichtieren und einer der Arten von Meereswürmern. Das Team entwickelte Miniatursonden, mit denen sie die mechanischen Eigenschaften von Materialien testen konnten, indem sie sie Atom für Atom zerlegten.
Sie fanden heraus, dass Schwermetalle wie Zink und Mangan gleichmäßig im Körper des Wirbellosen verteilt waren, im Gegensatz zu Substanzen in Knochen und anderen Biomineralien. Gleichzeitig werden Metallatome buchstäblich in Proteine verwoben. Dies gewährleistet eine hohe Festigkeit, Haltbarkeit und Verschleißfestigkeit des Materials. Darüber hinaus ermöglicht eine solche atomare Struktur, dass Körperteile schärfer und widerstandsfähiger gegen Abnutzung sind.
Starke und scharfe Werkzeuge & # 187; Wirbellose sparen Energie
Dadurch bietet das Material Energieeinsparungen für Lebewesen. Zum Beispiel verbraucht eine Ameise 60 Prozent weniger Energie, um Blätter zu durchschneiden, als wenn sie diese atomare Struktur nicht hätte. Wissenschaftler haben die Forschungsergebnisse in ihrem Artikel, der in der Zeitschrift Scientific Reports veröffentlicht wurde, genauer beschrieben.
Trotzdem hat Schofield noch viele Fragen, zum Beispiel ob sich diese natürlichen Feststoffe ein- oder mehrmals in verschiedenen Gruppen von Wirbellosen entwickelt haben, von Krebstieren bis zu Tausendfüßlern.
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Wirbellose sind stärker als Knochen
Wie wir wissen, haben auch Tiere ihre eigene Art, robustes und langlebiges Naturmaterial zu bilden. Dieser weit verbreitete Prozess wird als Biomineralisation bezeichnet. Es tritt auf, wenn Proteine im Körper eines Tieres um große Mineralkristalle wie Knochen oder einige Muscheln gewickelt werden. Daher ist Knochen eine leistungsstarke Mischung aus Mineralien (hauptsächlich Calciumcarbonat) und Proteinen, die dem Skelett des Tieres die notwendige Flexibilität, Dehnung und Schrumpfung verleihen und in seinen Eigenschaften jedem Mineral an sich weit überlegen sind.
Unsere Knochen bestehen aus Biomineralien – einer Kombination aus Proteinen und Calciumcarbonat
Aber die Biomineralisierung hat ihre Nachteile. Es ist beispielsweise unmöglich, aus diesem Material ein ausreichend scharfes Instrument zu erhalten. Wie Schofield sagt, ist es, als würde man versuchen, ein Messer aus einem Ziegelstein zu machen. Außerdem sind Biomineralien viel zerbrechlicher als Biomaterialien aus schweren Elementen.
Daher sind Biomineralien für viele Wirbellose nicht geeignet. Sie erfordern zuverlässigere und langlebigere Karosserieteile. Zum Beispiel wäre der Stachel eines gebrochenen Skorpions ein Todesurteil für ihn. Daher hat die Evolution für sie geeigneteres Material gefunden.
Materialien mit der gleichen Atomstruktur wie Insekten und Spinnentiere eröffnen Ingenieuren neue Perspektiven
Welches Potenzial hat das haltbarste Material für Wirbellose?
Schwere Biomaterialien können, so die Forscher selbst, Ingenieure zu neuen Produkten inspirieren. Sie stehen immer vor der Aufgabe, Gewicht zu reduzieren, Kompaktheit und hohe Festigkeit bestimmter Produkte zu gewährleisten. Materialien mit der gleichen atomaren Anordnung von Proteinen und Schwermetallen können zu Produkten führen, die leichter, stärker und widerstandsfähiger im täglichen Gebrauch sind.
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Dies gilt zunächst für alle Arten von Tools. Den Forschern zufolge finden die Materialien jedoch in vielen anderen Industrien Anwendung. Es kann beispielsweise für bis zu Handygehäuse oder Zubehör dafür verwendet werden. Auch in der Medizin dürfte das Material breite Anwendung finden. Abschließend möchte ich darauf hinweisen, dass dies nicht das einzige in letzter Zeit entdeckte ultrastarke Material ist. Vor kurzem haben Wissenschaftler erstaunliche Ergebnisse erzielt, indem sie die Struktur von Cellulosefasern leicht verbessert haben.