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瀨尿蝦能揮海中最重拳 表面可變形納米結構成關鍵 助製更高防護力避彈衣

2020/8/24 — 18:48

長約 10 厘米的瀨尿蝦 (Mantis shrimp)  擁有不少令人難以置信的能力,除了其視覺可看到癌病變之外,還有一對令人聞風喪膽、能於海中快速揮動的鐮刀狀螯足——每秒速度達 23 米,且每下產生 1,500 牛頓的力,相當於地球上一個 150 公斤的物件壓在身上。

美國加州大學爾灣分校材料科學家 David Kisailus 指,瀨尿蝦以此速度在牆上打幾千次,仍不會打斷揮動的螯足,是令人相當印象深刻。他的團隊則嘗試了解瀨尿蝦如何做到這種效果。團隊在上周刊於《自然材料》的研究顯示,瀨尿蝦有抗衝擊的納米塗層,可吸收和耗散揮動螯足造成的能量。

正因為這些塗層,瀨尿蝦才可輕易破壞各種貝類、螃蟹、海膽的外層硬殼,並享用殼裏的肉。

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團隊解釋,過去的研究表明,礦化 α-甲殼素纖維的螺旋排列與人字形結構可反彈發出的力量,但一直不清楚結構對瀨尿蝦在原生環境中高應變率 (strain rate) 衝擊的影響。

團隊利用穿透式電子顯微鏡 (Transmission Electron Microscope) 與原子力顯微鏡 (Atomic Force Microscope) 極近距離地觀察雀尾瀨尿蝦 (Odontodactylus scyllarus) 螯足表面,並發現表面有一種以密集羥磷灰石 (hydroxyapatite) 組成的納米晶體結構,當碰到其他表面時,羥磷灰石自身會旋轉,而整個納米晶體結構會破裂,但會緩慢地重新形成。

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Kisailus 指,在相對較低的應變率下,羥磷灰石顆粒幾乎像棉花糖一樣變形,並在應力消除後恢復;在較高應變下,羥磷灰石顆粒在納米晶體層面上變硬並破裂,而裂縫提供新的表面耗散大量能量。

這種機制在硬度和阻尼 (damping) 方面擊敗了許多現有工程材料,在將來可能會具有不可思議的應用。阻尼是指振動系統受阻滯時,能量隨時間而耗散的物理現象。 Kisailus 指,結構是種罕見的組合,勝過大多數金屬和工業陶瓷 (technical ceramics) ,認為可用於汽車、飛機、美式足球頭盔,甚至避彈衣,增加其防護能力。

來源:
Science Alert, Mantis Shrimp Have The Ocean's Fastest Punch. Now We Know How Their Claws Survive, 24 August 2020

報告:
Huang, W., Shishehbor, M., Guarín-Zapata, N. & et al. (2020). A natural impact-resistant bicontinuous composite nanoparticle coating. Nat. Mater. doi: 10.1038/s41563-020-0768-7

文/Alan Chiu

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