Gąbka morska (euplectella) kopalnią nowych technologii

Gąbki struktura szkła budowlanego reprezentujące cud inżynierii

Kiedy po raz ostatni rozmawiał przez telefon, lub łączyć się z Internetem, jest prawdopodobne, aby korzystać z włókien optycznych. Słyszeliśmy wiele o nich, ale co dokładnie są? Ten bardzo cienkie włókna szklane (o podwójnej grubości włosa ludzkiego). Składają się one z pręta i osłona wykonana z innego rodzaju szkła. Światło podróży wewnątrz włókna i przesyła sygnały który może reprodukować informacji (dźwięk, obraz, etc.). Promienie światła nie pozostawiają włókien, ponieważ powłoka całkowicie oddaje je z powrotem do środka pręta.

Wynalazek włókien optycznych wytwarzanych w czasie zrewolucjonizowały branżę telekomunikacyjną. Ale oto co ciekawe: morska gąbka Euplectella Podnoszenie drzazg szklanych, które są doskonałymi światłowody.

dekorowanie dna

Gąbki są prymitywne bezkręgowce. Są mocno przytwierdzone do dna morskiego, spędzając całe swoje życie nadal. Nie ma gąbka tkanek, narządów, układu oddechowego lub układu krążenia. zachowują one swoje istnienie pompowania wody przez ich porowate ciała i usunąć małe cząstki substancji odżywczych i substancji rozpuszczonych. Wszystkie gąbki charakteryzują liczne pory na zewnętrznej powierzchni. Woda jest zasysane przez te pory, przepływa przez kanały rurowe i wychodzi przez jeden lub więcej dużych otworów. Gąbki codziennie pompuje ogromne ilości wody w nadmiarze do 20 000 razy własnej objętości (!) Istnieje około 6000 gatunków tych stworzeń.

Wiele złożona forma gąbka i delikatny kształt - piękny rura, wazony, kosze, cylindry, itp W celu utrzymania tych struktur, mają szkielet wewnętrzny zbudowany z igłami (drzazg). Interesujące jest to, aby pamiętać, że te proste istoty są w stanie zbudować swoje drzazg minerałów lub włókien białkowych.

Istnieje pewna klasa tzw gąbki szklanych, tworzące szkielet z ditlenku krzemu (patrz fig. 1). Oni podnieść drzazg, które cudownie złączone razem budować "glass house",

Najsłynniejsza wersja tej klasie - rodzaj Euplectella wciąż znany jako Venus Flower Basket. Jego podstawą jest kratownica z dwutlenku krzemu, która tworzy zwinięty cylindryczna pomieszczenia (patrz fig. 2). Zwykle mieszka kilka krewetek. U podstawy gąbki jest wiązka włókien. Naukowcy z Bell Labs wykazała, że ​​delikatne kolcami gąbki są doskonałymi światłowody.

Figura 2. Skomplikowany cylindryczny szkielet gąbki Wenus Kosz kwiatów. Sieć dużych drzazg połączonych ze sobą tworząc przestrzenną strukturę.

fantastyczny włókno

Ich długość wynosi 5-15 cm, a średnica - 40-70 mikronów (grubość ludzkiego włosa). Naukowcy uderzyła podobieństwa optycznych gąbki włókien z włóknami, które zostały opracowane przez osoby od wielu lat.

W drzazg gąbki dość złożonej budowie - rdzeń z czystego szkła kwarcowego jest otoczony koncentrycznie warstwy organicznej i warstwami powłoki. Powłoka Shell odgrywa pewną rolę, jak i włókien sztucznych, dzięki czemu kolcami są doskonałymi przewodnikami światła.

Gąbki z włókna mają kilka zalet w stosunku sztuczne. Po pierwsze, są one wytwarzane w niskiej temperaturze w morzu. włókna handlowe są produkowane przy użyciu kosztownego wyposażenia w piecu w wysokich temperaturach.

Gąbki badacz Joanna Aizenberg powiedział: „Gdybyśmy mogli dowiedzieć się tylko od natury, że może w przyszłości być otwarte alternatywny sposób wytwarzania włókien optycznych”.Po drugie, gąbka włókno jest bardzo silny - nie pękać i kruszyć jak sztuczny, w którym małe pęknięcie zaczyna łatwo rozprowadza się na materiale kruchym.

Wymiana lub naprawa kabli jest kosztowna procedura. Granice między cienkimi warstwami drzazg gąbki powstrzymać rozprzestrzenianie się pęknięć. Jednocześnie, gąbka włókno jest bardzo elastyczny - można je związać w węzeł, aw tym przypadku nie będą tracić swoje właściwości optyczne.

Trzeci, są wykonywane również lekkie, ponieważ zawierają one niewielką ilość jonów sodowych, które poprawiają właściwości optyczne. Gąbka możliwość dodania jonów w sposób kontrolowany przy użyciu cząsteczek organicznych, w normalnej temperaturze. włókna syntetyczne wytwarzane w wysokiej temperaturze w celu częściowego stopienia szkła. W tym przypadku, dodanie kontrolowanych ilości jonów sodowych jest problemem producentów.

Tajemnicą nie jest łatwe

Jaki jest sekret włókna gąbki? I produkuje je? Naukowcy z Bell Labs odkrył, że każde włókno gąbka składa się z pojedynczych warstw o ​​różnych właściwościach optycznych. Koncentryczne cylindry z organicznym zawartości krzemu otacza wewnętrzny rdzeń, który jest wykonany z czystego szkła kwarcowego (patrz fig. 3). Gąbka używa wielu warstw szkła, które są utrzymywane za pomocą kleju organicznego, która sprawia, że ​​struktura bardzo odporny na uszkodzenia i pęknięcia. Gąbka wytwarza silniejsze mikroskopijnych włókien sklejanie cienkich warstw szkła. Następnie zbiera rowingi razem jeszcze większą siłą. To wygląda jak kilka gałązek. Wiązki te umieszcza się następnie we wzór siatki. Jednak sposób, w którym wykonuje on gąbki pozostaje tajemnicą.

Figura 3. Struktura drzazg Euplectella gąbką. kolcami fotografię SEM przekroju poprzecznym pokazującym włókna organiczne (o), przy czym walec centralny (KK), oraz powłokę laminatu (SS).

Gąbka morska architekci Teach

Jednak ten projekt nie kończy się cudów. Stwierdzono, że gąbka morskich posiada unikalne właściwości strukturalne, które nadają wytrzymałości mechanicznej i stabilności na kruchy materiał.

Gąbka Euplectella wykorzystuje zestaw sztuczek, aby przekształcić go w kruchy szkielet silną strukturę. Kolcami stanowiące szkielet gąbki są umieszczone w postaci sieci krystalicznej według otworzyć model zakładkowym wzmocniona warstwa structureless galaretowatą substancją (mesogloea), które przebiegają ukośnie w obu kierunkach naprzemiennych pola (patrz fig. 4).

Technika ta konstrukcja jest często stosowane w wysokich budynków i domów do zwalczania stresu podczas trzęsienia ziemi lub ścinania stres, który może łatwo wykoleić rozbrojony kwadratowy strukturę.

Najnowsze badania wykazały, siedem różnych poziomów hierarchii strukturalnej w gąbce. Każdy poziom strukturalny odpowiada podstawowymi zasadami budowy i inżynierii, które są powszechnie stosowane w projektowaniu inżynierskim, ale w skali mniejszej niż 1000 razy budynku.

„Szkielet tego stworzenia - podręcznik inżynierii mechanicznej, oferując cenną wiedzę, która doprowadzi do nowych koncepcji w nauce i inżynierii materiałowej projektu” - mówi Joanna Aizenberg.

przyszłe technologie

Naukowcy mają nadzieję, aby skopiować procesy biologiczne do produkcji włókien i gąbki zaawansowanych systemów, ale jednocześnie przyznają, że „Nowoczesne technologie nie mogą jeszcze konkurować z zaawansowanym systemem optycznym ciała”.

„Ci gąbki budowany razem całkowicie, przy czym dokładna ilość materiału potrzebnego w celu optymalizacji konstrukcji. Nie mogę sobie wyobrazić, jak struktura tej złożoności może być wytwarzany przez przypadek " - Eisenberg mówi.