Морские звёзды подсказали секрет создания светочувствительных материалов

Фото из открытых источников

Защитные материалы обычно оценивают по прочности, жесткости и долговечности. Но могут ли они еще и чувствовать окружающую среду? Вопрос возник при изучении морских звезд, скелеты которых оказались не только опорой, но и оптической системой. Это выяснили исследователи из Университета Пенсильвании, рассказывает публикация в PNAS.

Изначальной задачей специалистов было понять, как морским звездам удаётся формировать легкие, но прочные пористые скелеты. Карбонат кальция, их составляющий, сам по себе хрупкий, а поры, в теории, должны делать материал еще слабее.

Но у морских звезд наоборот, скелеты очень пористые, но способны выдерживать огромные нагрузки. Учёные выяснили, что микроскопические переходы между порами такие гладкие, что напряжение распределяется равномерно, а трещины не расходятся по всей конструкции.

На кончиках лучей обнаружили десятки крошечных линзовидных выступов, что встроены непосредственно в минеральный скелет. Они оказались световодами: захватывают свет, направляют его внутрь и концентрируют у основания. Особый элемент оказался ответственным за проводку около 70 процентов падающего света, а когда они действуют вместе как массив, то собирается сигнал со всей площади, и он становится в разы сильнее, нежели у отдельного элемента.

Эти образования замечались и раньше, но не могли понять их назначение. Новое исследование доказало: скелет исполняет не только механические, но и сенсорные функции. Для морских существ светочувствительность важна. С её помощью улавливаются движения, находятся укрытия и пища, она позволяет избегать хищников.

Обычно, когда в материал добавляется функция слежения, приходится жертвовать прочностью, весом или надежностью, устанавливая отдельные сенсоры, встраивая провода или усложняя конструкцию. Морская звезда указывает иной путь: оптические свойства встраиваются непосредственно в несущую структуру, что не ухудшает, а дополняет механику. К тому же, в расчетах эти же световоды еще и увеличивают жесткость окружающей ткани.

Открытие будет востребовано в разных сферах. Сегодня легкие пеноматериалы используются лишь для смягчения ударов и опоры. Но теперь можно сделать упаковку, способную сообщать о перегреве или повреждении груза. Или панели для самолетов, что сами будут следить за своим состоянием.Сейчас ученые пытаются выяснить, как именно формируются подобные структуры. Морские звезды выстраивают свои минеральные конструкции при обычной температуре и давлении, без затрат энергии и химических реакторов. Если получится разгадать этот механизм, можно будет создавать умные материалы более простым и дешевым способом, чем сейчас.