摘要：一项新的研究揭示了某种深海虾的外骨骼如何使其能够在水下数千英尺处滚烫的热液中生存。对这种材料复杂分子性质的了解可能有助于设计新型的耐极端环境合成装甲。
图片来源：Purdue University photo/Tao Qu
“存活于极端环境的生物物种是一个大问题。”普渡大学航天航空学院VikasTomar副教授说，“虾就是一个鲜明的例子，你可以在世界各地找出生活在不同深度以及具有不同适应需求的虾。”
VikasTomar和博士生Tao Qu、DevendraVerma、Yang Zhang以及Chandra Prakash比较了深海Rimicarisexoculata虾和浅海Pandalusplatyceros虾的外骨骼。深海物种生活于海面以下2000米，那里火山喷口的温度能够超过400℃，而其他物种生活于海面以下。
“我们想了解生存于不同环境下的这两种虾外骨骼的进化如何影响材料的性质。”Tomar如是说。
对这种材料复杂分子性质的了解可能有助于设计新型的耐极端环境合成装甲。
7月2日在线发表于《生物材料学报》（Acta Biomaterials）上的论文详细介绍了这一新发现。另外，该研究小组还发表了两篇专注于这种虾的外骨骼的实验研究论文。
研究人员重点研究了这种骨骼中两种主要组成成分间的界面：角素（一种蛋白质）和方解石（一种类似于骨头的矿物质）。这两种材料（一种为有机物，另一种为无机物）的界面行为如何精确确定外骨骼的性能。
研究了十组外骨骼标本，采用包括扫描电子显微镜和电子衍射光谱在内的实验室技术对其进行分析，揭示了这种骨骼的结构和化学成分。
这两种虾的外骨骼具有相同的微观结构：角素、方解石以及其他排列成分层螺旋结构（类似于螺旋楼梯）的成分。然而，对比着两种物种发现，这些结构的密度、层的厚度以及矿物质含量存在差异。深海虾的外骨骼具有更密集的结构。
令人吃惊的是，研究人员发现普通虾外骨骼的强度是深海虾的10倍左右。
“理论上来讲，我们认为压实以后强度会更高，但事实上是压实以后强度降低了。”Tomar如是说。
最新的研究成果探讨了角素和方解石的界面，以及如何影响骨骼性能。该界面有助于确定结构如何传递应力。
结果表明，深海骨骼更软，但承受极端低温和压力的能力更强。普通虾外骨骼更强，能够更好的抵御捕食者。
“尽管它们具有相同的基本微观结构，但它们是完全不同的材料。”Tomar说。
对这些相互作用的材料进行分子模拟，得到了有关的界面黏度信息，用以说明有机物-陶瓷复合材料在应力作用下如何变形。研究人员得出了一个针对这种界面的“黏塑形法则”，或者说是数学方程。
有机物-陶瓷复合材料的传统模型不符合的原因在于重点强调峰值强度，而材料在高的应变下或受拉伸更加容易失效。
“我们过去采用的失效理论预测了强度方面的失效。”Tomar说，“而在这些材料的情况下，应变显得更加重要，因此不能超过一定程度的形变而发生断裂。”
该发现还揭示了水在这种骨骼分子结构强度中起到的至关重要的作用。研究人员还创建了一个“接口数据库”，用以模拟特定复合材料的成分、微观结构和界面类型如何影响其性能。
该发表于《生物材料学报》（ActaBiomaterials）论文的作者还有研究生MiladAlucozai，该生是获得全国知名Mitchell奖学金（爱尔兰研究学习）的12名美国学生之一，普渡大学第一个该奖学金获得者。
相关研究中，该团队与维也纳理工大学（ViennaUniversity of Technology）合作研究胶原蛋白和人骨骼间的界面，以及随时间推移骨骼如何变形。该研究成果已于今年4月发表于Materials Research Society Bulletin期刊上，该发现有助于更好的模拟医疗植入物的行为。
