仿生材料学的新星─披铁甲的深海螺

披铁甲的深海螺─Crysomallon squamiferum外壳为硫化铁的“三明治”层状结构,具备耐高压、耐温及耐腐蚀的特性,对改善承重和防护工程材料的发展,拥有极大的潜力。

一般的螺贝类外壳结构,外层为角质层由壳蛋白构成,往内为棱柱层及珍珠层由碳酸钙结晶组成,2001年印度洋2420公尺深的热泉喷口(Kairei Indian hydrothermal vent field)中所发现的C. squamiferum ,却拥有不同于众所皆知的构造,壳最外层为硫化铁成份,内层为碳酸钙组成。因此,美国麻省理工学院材料科学与工程学系Christine Ortiz的研究团队利用奈米尺度的压痕实验(nanoindentation experiments),还有电脑模拟捕食者如螃蟹攻击时对C. squamiferum各壳层的破坏程度、力的消散等,对壳进行了一系列的材料力学的分析研究。

研究团队发现C. squamiferum外壳具有独特性的三层(刚─软─刚)结构:最外层由奈米至微米粒状的硫化铁组成提供第一线防御,含有硫复铁矿(greigite, Fe3S4),约有30μm 的厚度,在受到攻击时,就会使这层防御的粒状结构分裂,此牺牲性的裂痕导致攻击力量被分散,可防止整个外壳产生破坏性的裂痕;中间是具弹性的有机层,由壳蛋白组成,厚度约为150μm,能在外壳受到攻击时吸收能量,以缓解来自外部的冲击和压力,并可减缓环境温度变化所造成的影响;内层由碳酸钙片状的霰石晶体组成(aragonite),厚度约为250μm,其坚硬度可提供外壳结构上的支撑,并且抵抗弯曲变形,以达保护脆弱的软组织之功能。藉由这种生物防护材料原理的发现,可望开发出高负载的保护材料、防爆装备等实用于生物材料、航空及航太等科学。

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