Runcing dan tajam, ke mana pun Anda melihat: mekanisme penajaman sendiri gigi bulu babi

Berbicara tentang gigi pada orang paling sering dikaitkan dengan karies, kawat gigi, dan sadis dalam mantel putih yang hanya bermimpi membuat manik-manik dari gigi Anda. Tapi lelucon itu, karena tanpa dokter gigi dan menetapkan aturan kebersihan di belakang rongga mulut, kita hanya akan makan kentang hancur dan sup melalui tabung. Dan semuanya harus disalahkan atas evolusi, yang memberi kita jauh dari gigi yang paling tahan lama, yang masih belum beregenerasi, yang mungkin menyenangkan para perwakilan industri gigi yang tak terlukiskan. Jika kita berbicara tentang gigi satwa liar, maka segera ingat singa agung, hiu haus darah dan hyena yang sangat positif. Namun, terlepas dari kekuatan dan kekuatan rahang mereka, gigi mereka tidak sehebat gigi landak laut. Ya, bola jarum di bawah air ini, menginjak di mana Anda dapat merusak bagian yang baik dari liburan Anda, memiliki gigi yang cukup bagus. Tentu saja, mereka sedikit, hanya lima, tetapi mereka unik dengan caranya sendiri dan mampu mengasah diri mereka sendiri. Bagaimana para ilmuwan mengidentifikasi fitur seperti itu, bagaimana tepatnya proses ini berlangsung, dan bagaimana hal itu dapat membantu orang? Kami belajar tentang ini dari laporan kelompok penelitian. Ayo pergi.

Dasar studi

Pertama-tama, perlu diketahui karakter utama penelitian ini - Strongylocentrotus fragilis, berbicara dalam bahasa manusia, dengan landak laut merah muda. Spesies landak laut ini tidak jauh berbeda dari rekan-rekannya yang lain, dengan pengecualian bentuk tiang yang lebih rata dan warna yang glamor. Mereka menghuni cukup dalam (dari 100 m hingga 1 km), dan mereka tumbuh hingga 10 cm.


"Kerangka" landak laut, di mana simetri lima balok terlihat.

Bulu babi, betapapun kasarnya kedengarannya, benar dan salah. Yang pertama memiliki bentuk tubuh yang hampir sempurna bulat dengan simetri lima-balok diucapkan, sedangkan yang terakhir lebih asimetris.

Hal pertama yang menarik perhatian Anda ketika melihat landak laut adalah jarum yang menutupi seluruh tubuh. Berbagai jenis jarum dapat dari 2 mm hingga 30 cm. Selain jarum, tubuh memiliki spheridia (keseimbangan organ) dan pedicellaria (proses, mengingatkan forceps).


Kelima gigi terlihat jelas di tengah.

Untuk menggambarkan landak laut, pertama-tama Anda harus membalikkannya, karena lubang mulut terletak di bagian bawah tubuh, tetapi lubang lainnya di bagian atas. Mulut landak laut dilengkapi dengan peralatan mengunyah dengan nama ilmiah yang indah "Lentera Aristoteles" (itu adalah Aristoteles yang pertama kali menggambarkan organ ini dan membandingkannya dalam bentuk dengan lampu portabel antik). Organ ini dilengkapi dengan lima rahang, yang masing-masing berakhir dengan gigi tajam (lampu Aristotelian landak merah muda yang sedang diselidiki ditunjukkan pada Gambar 1C di bawah).

Ada asumsi bahwa daya tahan gigi landak laut dipastikan dengan penajaman konstan mereka, yang terjadi oleh kerusakan bertahap lempeng gigi mineral untuk mempertahankan ketajaman permukaan distal.

Tetapi bagaimana tepatnya proses ini berlangsung, gigi mana yang perlu dipertajam dan mana yang tidak, dan bagaimana keputusan penting ini dibuat? Para ilmuwan mencoba menemukan jawaban untuk pertanyaan-pertanyaan ini.

Hasil penelitian

Gambar No. 1

Sebelum mengungkap rahasia gigi landak laut, pertimbangkan struktur gigi mereka secara keseluruhan.

Gambar 1A - 1C menunjukkan pahlawan penelitian, landak laut merah muda. Seperti landak laut lainnya, perwakilan spesies ini mendapatkan komponen mineral mereka dari air laut. Di antara elemen kerangka, gigi sangat mineral (99%) dengan kalsit yang diperkaya magnesium.

Seperti yang kita diskusikan sebelumnya, landak menggunakan giginya untuk mengikis makanan. Tapi selain itu, mereka menggunakan gigi mereka untuk menggali lubang di mana mereka bersembunyi dari predator atau itu cuaca buruk. Mengingat penggunaan yang tidak biasa untuk gigi, yang terakhir harus sangat tahan lama dan tajam.

Gambar 1D menunjukkan tomografi komputer mikro dari suatu segmen dari seluruh gigi, memperjelas bahwa gigi terbentuk sepanjang kurva elips dengan penampang berbentuk T.

Penampang gigi ( 1E ) menunjukkan bahwa gigi terdiri dari tiga bidang struktural: pelat primer, area batu, dan pelat sekunder. Daerah batu terdiri dari serat berdiameter kecil yang dikelilingi oleh cangkang organik. Serat tertutup dalam matriks polikristalin yang terdiri dari partikel kalsit yang kaya magnesium. Diameter partikel ini sekitar 10-20 nm. Para peneliti mencatat bahwa konsentrasi magnesium heterogen di seluruh gigi dan meningkat mendekati ujungnya, yang memastikan peningkatan ketahanan aus dan kekerasannya.

Bagian longitudinal ( 1F ) dari daerah berbatu pada gigi menunjukkan kerusakan serat, serta pemisahan yang terjadi karena delaminasi pada antarmuka antara serat dan cangkang organik.

Pelat primer biasanya terdiri dari kristal kalsit tunggal dan terletak di permukaan cembung gigi, sedangkan lempeng sekunder mengisi permukaan cekung.

Pada gambar 1G, Anda dapat melihat berbagai lempeng primer melengkung yang sejajar satu sama lain. Gambar juga menunjukkan serat dan matriks polikristalin yang mengisi ruang di antara pelat. Keel ( 1H ) membentuk dasar dari bagian-T melintang dan meningkatkan kekakuan gigi selama penekukan.

Karena kita tahu struktur gigi landak laut merah muda, kita sekarang perlu mengetahui sifat-sifat mekanik komponennya. Untuk melakukan ini, tes kompresi dilakukan menggunakan mikroskop elektron pemindaian dan metode nanoindentation * . Tes nanomekanik melibatkan spesimen memotong sepanjang orientasi longitudinal dan transversal gigi.

Nanoindentation * - verifikasi bahan dengan menekan alat khusus, indentor, ke permukaan sampel.

Analisis data menunjukkan bahwa modulus Young (E) dan kekerasan (H) rata-rata di ujung gigi dalam arah memanjang dan melintang adalah: E _L = 77,3 ± 4,8 GPa, H _L = 4,3 ± 0,5 GPa (longitudinal) dan E _T = 70.2 ± 7.2 GPa, H _T = 3.8 ± 0.6 GPa (melintang).

Modulus * Young adalah kuantitas fisik yang menggambarkan kemampuan suatu material untuk menahan ketegangan dan kompresi.

Kekerasan * - sifat material untuk menolak pengenalan tubuh yang lebih keras (indentor).

Selain itu, dalam arah longitudinal, alur dibuat dengan muatan tambahan siklik untuk membuat model kerusakan visko-plastik untuk area batu. 2A menunjukkan kurva perpindahan beban.


Gambar No. 2

Modul untuk setiap siklus dihitung berdasarkan metode Oliver-Farr menggunakan data pembongkaran. Siklus indentasi menunjukkan penurunan monoton dalam modul dengan peningkatan kedalaman indentasi ( 2B ). Penurunan kekakuan ini disebabkan oleh akumulasi kerusakan ( 2C ) sebagai akibat dari deformasi yang tidak dapat diubah. Perlu dicatat bahwa perkembangan ketiga terjadi di sekitar serat, dan bukan melalui serat.

Sifat mekanis konstituen gigi juga dievaluasi menggunakan kompresi quasistatic dari mikro-pilar. Untuk pembuatan pilar berukuran mikrometer, sinar ion terfokus digunakan. Untuk menilai kekuatan koneksi antara pelat utama pada sisi cembung gigi, kolom mikro dibuat dengan orientasi yang cenderung relatif terhadap antarmuka normal antara pelat ( 2D ). Gambar 2E menunjukkan kolom mikro dengan antarmuka miring. Grafik 2F menunjukkan hasil pengukuran tegangan geser.

Para ilmuwan mencatat fakta yang aneh - modulus elastisitas yang diukur hampir setengah dari tes indentasi. Ketidakcocokan antara tes indentasi dan kompresi juga dicatat untuk enamel gigi. Saat ini, ada beberapa teori yang menjelaskan perbedaan ini (dari pengaruh lingkungan selama pengujian hingga kontaminasi sampel), tetapi tidak ada jawaban yang jelas untuk pertanyaan mengapa ada perbedaan.

Tahap berikutnya dalam studi gigi landak laut adalah tes keausan yang dilakukan menggunakan mikroskop elektron pemindaian. Gigi direkatkan ke penahan khusus dan ditekan pada substrat berlian ultrananocrystalline ( 3A ).


Gambar No. 3

Para ilmuwan mencatat bahwa versi tes keausan mereka adalah kebalikan dari apa yang biasanya dilakukan ketika ujung intan ditekan ke dalam substrat bahan uji. Perubahan dalam metodologi untuk uji keausan memungkinkan studi yang lebih baik tentang sifat-sifat struktur mikro dan komponen gigi.

Seperti yang dapat kita lihat dalam gambar, ketika beban kritis tercapai, keripik mulai terbentuk. Perlu dipertimbangkan bahwa kekuatan “gigitan” lentera Aristotelian di bulu babi bervariasi tergantung pada spesies dari 1 hingga 50 Newton. Dalam pengujian, gaya diterapkan dari ratusan micronewton ke 1 newton, mis. dari 1 hingga 5 Newton untuk seluruh lentera Aristotelian (karena ada lima gigi).

Pada gambar 3B (i) , partikel-partikel kecil terlihat (panah merah) yang dihasilkan dari keausan area batu. Saat area batu aus dan berkontraksi, retakan pada antarmuka antara pelat dapat terjadi dan merambat karena beban geser-kompresi dan akumulasi tegangan di area pelat kalsit. Gambar 3B (ii) dan 3B (iii) menunjukkan tempat fragmen putus.

Sebagai perbandingan, dua jenis percobaan keausan dilakukan: dengan beban konstan yang sesuai dengan kekuatan luluh (WCL), dan dengan beban konstan yang sesuai dengan kekuatan luluh (WCS). Akibatnya, dua opsi untuk memakai gigi diperoleh.



Dalam kasus pembebanan konstan, kompresi wilayah diamati dalam uji WCL, tetapi tidak ada chip atau kerusakan lain pada pelat yang dicatat ( 4A ). Tetapi dalam tes WCS, ketika gaya normal ditingkatkan untuk menjaga tegangan kontak nominal konstan, chip dan kehilangan pelat ( 4V ) diamati.


Gambar No. 4

Pengamatan ini dikonfirmasi oleh grafik ( 4C ) pengukuran area kompresi dan volume pelat terkelupas, tergantung pada panjang slip (sampel berlian selama pengujian).

Grafik ini juga menunjukkan bahwa dalam kasus WCL, chip tidak terbentuk bahkan jika jarak geser lebih besar daripada dalam kasus WCS. Pemeriksaan pelat terkompresi dan terkelupas pada 4V memungkinkan Anda untuk lebih memahami mekanisme penajaman sendiri gigi landak laut.

Luas area batu yang dikompresi meningkat ketika pelat putus, yang mengarah ke penghapusan bagian dari area yang dikompresi [4B (iii-v)] . Fitur mikrostruktur, seperti ikatan antara batu dan lempengan, memfasilitasi proses ini. Mikroskopi menunjukkan bahwa serat di daerah batu menekuk dan menembus lapisan lempeng di bagian cembung gigi.

Pada grafik 4C, lompatan volume di area yang terkelupas terlihat ketika plat baru terputus dari gigi. Sangat mengherankan bahwa pada saat yang sama ada penurunan tajam dalam lebar daerah yang rata ( 4D ), yang menunjukkan proses penajaman diri.

Sederhananya, percobaan ini menunjukkan bahwa sambil mempertahankan beban normal (tidak kritis) yang konstan selama tes keausan, ujung tumpul terjadi sementara gigi tetap tajam. Ternyata gigi landak dipertajam selama penggunaan, jika beban tidak melebihi kritis, jika tidak, kerusakan (keripik) dapat terbentuk, dan tidak diasah.


Gambar No. 5

Untuk memahami peran struktur mikro gigi, sifat-sifatnya, dan kontribusinya terhadap mekanisme penajaman sendiri, dilakukan analisis nonlinear terhadap proses keausan dengan metode elemen hingga ( 5A ). Untuk melakukan ini, kami menggunakan gambar bagian longitudinal dari ujung gigi, yang berfungsi sebagai dasar untuk model dua dimensi yang terdiri dari batu, pelat, lunas dan antarmuka antara pelat dan batu.

Gambar 5B - 5H adalah plot kontur kriteria Mises (kriteria plastisitas) di tepi area batu dan lempengan. Ketika gigi dikompresi, batu mengalami deformasi viscoplastic yang besar, menumpuk kerusakan dan berkontraksi (“pipih”) ( 5B dan 5C ). Kompresi lebih lanjut menyebabkan pita geser pada batu, di mana sebagian besar deformasi plastik dan kerusakan menumpuk, merobek sebagian batu, menyebabkan kontak langsung dengan substrat ( 5D ). Fragmentasi batu dalam model ini sesuai dengan pengamatan eksperimental (fragmen terkelupas pada 3B (i) ). Kompresi juga mengarah pada delaminasi antara pelat, karena elemen antarmuka dikenakan beban campuran, yang mengarah pada dekohesi (delaminasi). Ketika wilayah kontak meningkat, tegangan kontak meningkat, menyebabkan retak berinti dan menyebar pada antarmuka ( 5B - 5E ). Hilangnya rekat antara pelat meningkatkan tikungan di mana pelat luar dilepaskan.

Menggaruk memperparah kerusakan pada antarmuka, yang mengarah ke pelepasan pelat ketika pelat (a) terbelah (di mana retakan menyimpang dari antarmuka dan menembus pelat, 5G ). Ketika proses ini berlanjut, fragmen-fragmen dari pelat lepas dari ujung gigi ( 5H ).

Sangat mengherankan bahwa simulasi ini sangat akurat memprediksi chipping di area batu dan di area lempengan, yang telah diperhatikan oleh para ilmuwan selama pengamatan ( 3B dan 5I ).

Untuk seorang kenalan yang lebih mendetail dengan nuansa penelitian ini, saya sarankan Anda melihat laporan para ilmuwan dan bahan tambahan untuk itu.

Epilog

Karya ini sekali lagi menegaskan bahwa evolusi tidak terlalu mendukung gigi manusia. Serius, dalam penelitian mereka, para ilmuwan dapat memeriksa dan menjelaskan secara terperinci mekanisme penajaman diri dari bulu babi, yang didasarkan pada struktur gigi yang tidak biasa dan beban yang tepat di atasnya. Pelat yang menutupi gigi landak terkelupas pada beban tertentu, yang memungkinkan Anda menjaga gigi tetap tajam. Tetapi ini tidak berarti bahwa bulu babi dapat menghancurkan batu, karena ketika beban kritis tercapai, retakan dan keripik terbentuk pada gigi. Ternyata prinsip "ada kekuatan, tidak ada pikiran," tentu tidak akan membawa manfaat apa pun.

Anda mungkin berpikir bahwa meneliti gigi-gigi penghuni laut dalam tidak membawa manfaat bagi manusia, selain memuaskan keingintahuan manusia yang tak pernah puas. Namun, pengetahuan yang diperoleh selama penelitian ini dapat berfungsi sebagai dasar untuk pembuatan jenis bahan baru yang akan memiliki sifat yang mirip dengan gigi landak - ketahanan aus, penajaman sendiri pada tingkat material tanpa bantuan eksternal dan daya tahan.

Bagaimanapun, alam memiliki banyak rahasia yang masih harus kita ungkapkan. Akankah mereka membantu? Mungkin ya, tapi mungkin juga tidak. Tetapi kadang-kadang bahkan dalam studi yang paling kompleks, kadang-kadang bukan tujuan, tetapi perjalanan itu sendiri penting.


Terima kasih telah tinggal bersama kami. Apakah Anda suka artikel kami? Ingin melihat materi yang lebih menarik? Dukung kami dengan melakukan pemesanan atau merekomendasikannya kepada teman-teman Anda, diskon 30% untuk pengguna Habr pada analog unik dari server entry-level yang kami buat untuk Anda: Seluruh kebenaran tentang VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 Cores) 10GB DDR4 240GB SSD 1Gbps dari $ 20 atau bagaimana membagi server? (opsi tersedia dengan RAID1 dan RAID10, hingga 24 core dan hingga 40GB DDR4).

Dell R730xd 2 kali lebih murah? Hanya kami yang memiliki 2 x Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 TV dari $ 199 di Belanda! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - mulai dari $ 99! Baca tentang Cara Membangun Infrastruktur Bldg. kelas menggunakan server Dell R730xd E5-2650 v4 seharga 9.000 euro untuk satu sen?