Позвоночник морского ежа изучен с помощью рентгена

В геологических отложениях известь обычно образует кристаллы кальцита, которые легко ломаются по плоскостям, соединяющим кристаллиты. Позвоночник морского ежа тоже состоит из кристаллов кальцита, но когда ежовые кристаллы ломаются, они не образуют плоскостей скола. Вместо этого происходит формирование неровных изломов, подобных тем, которые можно наблюдать у разбитой керамики.

Хельмут Кёлфен организовал целую международную сеть из различных институтов, специализирующихся на изучении материалов, чтобы найти объяснение этому странному факту. В работе были использованы такие методы анализа, как электронная микроскопия и рентгеновская дифракция.

Применив несколько методик рентгеновского анализа, удалось установить, что позвоночник морского ежа построен в виде своеобразной стены, в кладке которой параллельными рядами уложены кристаллы кальцита нанометрового размера. Эти кирпичики склеены друг с другом цементирующим составом — аморфной известью. Столь неожиданная композитная компоновка позволяет эффективно абсорбировать удары, придавая эластичность всему материалу.

По словам Кёфлена, разделить и по отдельности охарактеризовать кристаллическую и не-кристаллическую составляющие материала было очень сложно, так как индивидуальные «ингредиенты» обоих компонентов экстремально малы. Учёным пришлось скомбинировать две разные методики работы с рентгеновскими лучами: одна была оптимизирована под нанокристаллы, а другая лучше всего подходила для изучения аморфных структур.

Выяснилось, что ~92% позвоночника морского ежа состоит из кристаллического кальцита, а ~8% из аморфной извести, которая, в свою очередь, на 99,9% является карбонатом кальция с небольшой примесью протеинов (0,1%). При толщине в 1–2 нм между индивидуальными нанокристаллами кальцита аморфная прослойка обеспечивает удивительную устойчивость всего позвоночника на излом.

Исследование стало первым детальным структурным доказательством существования биологических мезокристаллов. Возможно, в дальнейшем это поможет в создании новых высокотехнологичных композитных материалов, сочетающих небольшую толщину с прочностью и экологичностью их производства и использования. На это позволяет надеяться участие в проекте одного из производителей цементирующих составов, пишет PhysOrg.

Результаты исследования опубликованы в февральском номере журнала Proceedings of the National Academy of Science.