一項新的研究揭示了某些深海蝦類的外殼是如何確保它們在水下數千英尺的熱液噴口生存下來的。
“居然有一種現存的生物物種可以生存在如此極端的環境之中。”普渡大學航空航天系的副教授Vikas Tomar說。“蝦類是進化論的一個偉大實例，因為你可以在世界不同深度的地方找到各種各樣的品種，和一系列適應環境的變化。”
他和幾個博士生Tao Qu、Devendra Verma、Yang Zhang、Chandra Prakash一起，對比了深海脊盲蝦和淺海點蝦的外骨骼。這種深海蝦生存在距離海面2000米的火山熱液噴口附近，那里的溫度超過了400攝氏度，相反淺海蝦只生存在海洋淺層。
“我們想搞清楚進化是如何影響這兩種蝦類外骨骼的材料變化，使得它們能在完全不同的環境中很好的生存。”Tomar說。
研究這種材料的復合分子反應，有助于設計能夠承受極端環境的新式人造盔甲。
研究者正在探索外骨骼的兩個關鍵元素之間的標準界面傳熱系數：一種是蛋白質稱為甲殼質，還有另一種類骨骼礦物稱為方解石。這兩種類型的材料 - 一種是有機和一種是無機的，它們之間的標準界面傳熱系數是決定外骨骼外在表現的關鍵。
利用實驗的電子顯微鏡掃描和電子衍射能譜的技術，研究和分析了10份外骨骼樣本，揭示了其中的結構和化學成份的細節。
這些兩個物種的外骨骼都具有相同的微觀結構：甲殼質、方解石和其他一些成份排列成分層的螺旋狀結構，就像螺旋樓梯一樣。然而，還是顯示出結構中的一些不同之處：密度、厚度還有礦物質的含量。深海蝦的外骨骼擁有更密集的結構。
令他們吃驚的是，研究人員發現淺海蝦的外骨骼比深海蝦強韌10倍。
“直觀上，你會認為密集的結構會更結實，實際卻恰恰相反。”Tomar說。
最新的研究在于探索甲殼質和方解石之間的標準界面傳熱系數，以及這些機制對于外骨骼性能的影響。這有助于確定這種結構是如何轉移壓力的。
結果顯示深海蝦的外骨骼是柔軟的，但能夠承受高溫和極端的壓力。淺海蝦的外骨骼是堅硬的，有利于抵御掠食者。
“雖然擁有相同的微觀結構，但它們是完全不同的材料。”Tomar說。
通過建模模擬材料相互的作用求出界面粘度，有助于更精確地對高分子陶瓷復合材料的應力應變建模。研究人員據此開發了一種“粘塑性定律”或者說數學方程式。
傳統的高分子陶瓷復合材料模型的不足之處在于，該模型的關鍵是處于峰值強度，但是材料更有可能是由于高度的張力或者拉力而失效。
“雖然我們已經有了失效理論，但該理論是通過強度來預測的。”Tomar說。“對于這些材料來說，張力更為至關重要的，所以為了確保它們不被破壞，必須保持在某一水平下的形變。”
研究結果主要在于水在為外骨骼的分子結構提供強度上，扮演了至關重要的角色。研究人員還創建了一個“標準界面傳熱參數”來模擬特定組合的復合材料的可能表現，鑒于化學成份、微觀結構和界面參數的類型。
在相關研究中，該團隊與維也納技術大學合作研究膠原蛋白和人類骨骼之間的標準界面傳熱系數，還有骨骼隨時間的形變。這項研究在4月的材料研究學會通報里進行了詳細說明。這一發現可能有助于更好地模擬醫療植入物的行為。