Draai een kreeft op zijn rug, en je zult zien dat de onderkant van zijn staart is gesplitst in segmenten die zijn verbonden door een doorschijnend membraan dat nogal kwetsbaar lijkt in vergelijking met het pantserachtige schild dat de rest van het schaaldier afschermt.

Maar ingenieurs van MIT en elders hebben ontdekt dat dit zachte membraan verrassend sterk is, met een microscopisch gelaagd, multiplex-achtige structuur die het opmerkelijk tolerant maakt voor schaaf- en snijwonden. Deze bedrieglijk sterke film beschermt de buik van de kreeft terwijl het dier over de rotsachtige zeebodem scharrelt.

Het membraan is ook rekbaar, tot op zekere hoogte, waardoor de kreeft zijn staart heen en weer kan zwiepen, en maakt het voor een roofdier moeilijk om door de staart te kauwen of hem uit elkaar te trekken.

Deze flexibiliteit kan voortkomen uit het feit dat het membraan een natuurlijke hydrogel is, bestaat voor 90 procent uit water. chitine, een vezelachtig materiaal dat in veel schelpen en exoskeletten wordt aangetroffen, maakt het grootste deel van de rest uit.

De resultaten van het team laten zien dat het kreeftenmembraan het sterkste materiaal is van alle natuurlijke hydrogels, inclusief collageen, dierenhuiden, en natuurlijk rubber. Het membraan is ongeveer net zo sterk als industriële rubbercomposieten, zoals die worden gebruikt om autobanden te maken, tuinslangen, en transportbanden.

Het taaie maar rekbare membraan van de kreeft zou kunnen dienen als ontwerpgids voor flexibelere kogelvrije vesten, vooral voor zeer mobiele delen van het lichaam, zoals ellebogen en knieën.

"We denken dat dit werk een flexibel pantserontwerp zou kunnen motiveren, " zegt Ming Guo, de d'Arbeloff Career Development Assistant Professor bij de afdeling Werktuigbouwkunde aan het MIT. "Als je van dit soort materialen harnassen zou kunnen maken, je kon je gewrichten vrij bewegen, en je voelt je er meer op je gemak."

Het volledige artikel met de resultaten van het team verscheen op 14 februari online in het tijdschrift Acta Materialia. (Het tijdschrift plaatste op 31 januari een ongecorrigeerd bewijs.) Guo's co-auteurs zijn Jinrong Wu en Hao Zhang van de Universiteit van Sichuan, Liangliang Qu en Fei Deng van Harvard University, en Zhao Qin, die een onderzoekswetenschapper is bij het MIT Department of Civil and Environmental Engineering en een andere senior auteur van het artikel.

Flexibele bescherming

Guo begon de eigenschappen van het kreeftenmembraan te onderzoeken na een diner met een bezoeker van zijn lab.

"Hij had nog nooit kreeft gegeten, en wilde het proberen, " herinnert Guo zich. "Hoewel het vlees erg goed was, hij besefte dat het transparante membraan van de buik echt moeilijk te kauwen was. En we vroegen ons af waarom dit het geval was."

Hoewel er veel onderzoek is gedaan naar de kenmerkende, pantserachtige schaal, Guo ontdekte dat er niet veel bekend was over de zachtere weefsels van de schaaldieren.

"Als kreeften zwemmen, ze strekken zich uit en bewegen hun gewrichten en draaien hun staarten heel snel om te ontsnappen aan roofdieren, " zegt Guo. "Ze kunnen niet volledig worden bedekt met een harde schaal - ze hebben deze zachtere verbindingen nodig. Maar niemand heeft eerder naar het membraan gekeken, dat is zeer verrassend voor ons."

Dus gingen hij en zijn collega's aan de slag om de eigenschappen van het ongewone materiaal te karakteriseren. Ze snijden elk membraan in dunne plakjes, die elk verschillende experimentele tests doorstonden. Ze plaatsten enkele plakjes in een kleine oven om te drogen, daarna gemeten hun gewicht. Uit deze metingen is ze schatten dat 90 procent van het membraan van de kreeft uit water bestaat, waardoor het een hydrogelmateriaal wordt.

Ze bewaarden andere monsters in zout water om een ​​natuurlijke oceaanomgeving na te bootsen. Met een aantal van deze monsters ze voerden mechanische tests uit, elk membraan in een machine plaatsen die het monster uitrekt, terwijl nauwkeurig de uitgeoefende kracht wordt gemeten. Ze merkten op dat het membraan aanvankelijk slap was en gemakkelijk werd uitgerekt, totdat het ongeveer twee keer zijn oorspronkelijke lengte bereikte, op dat moment begon het materiaal te verstijven en werd het steeds taaier en beter bestand tegen uitrekken.

"Dit is vrij uniek voor biomaterialen, " merkt Guo op. "Voor veel andere taaie hydrogels, hoe meer je uitrekt, hoe zachter ze zijn. Door dit spanningsverstijvende gedrag kunnen kreeften flexibel bewegen, maar als er iets ergs gebeurt, ze kunnen verstijven en zichzelf beschermen."

Natuurlijk multiplex van kreeft

Terwijl een kreeft zich een weg baant over de zeebodem, het kan schuren tegen schurende rotsen en zand. De onderzoekers vroegen zich af hoe veerkrachtig het membraan van de kreeft zou zijn tegen zulke kleine schaafwonden en snijwonden. Ze gebruikten een klein scalpel om de membraanmonsters te krassen, rekt ze vervolgens op dezelfde manier als de intacte membranen.

"We hebben krassen gemaakt om na te bootsen wat er zou kunnen gebeuren als ze door zand bewegen, bijvoorbeeld, " legt Guo uit. "We hebben zelfs de helft van de dikte van het membraan doorgesneden en ontdekten dat het nog steeds even ver kon worden uitgerekt. Als je dit deed met rubbercomposieten, ze zouden breken."

Vervolgens zoomden de onderzoekers in op de microstructuur van het membraan met behulp van elektronenmicroscopie. Wat ze zagen was een structuur die erg op multiplex leek. Elk membraan, van ongeveer een kwart millimeter dik, bestaat uit tienduizenden lagen. Een enkele laag bevat onnoemelijk veel chitinevezels, die op filamenten van stro lijken, allemaal onder dezelfde hoek georiënteerd, precies 36 graden verschoven ten opzichte van de vezellaag erboven. evenzo, multiplex is meestal gemaakt van drie of meer dunne lagen hout, de nerf van elke laag loodrecht op de lagen erboven en eronder georiënteerd.

"Als je de hoek van vezels draait, laag voor laag, je hebt goede kracht in alle richtingen, " zegt Guo. "Mensen hebben deze structuur in droge materialen gebruikt voor tolerantie voor defecten. Maar dit is de eerste keer dat het is gezien in een natuurlijke hydrogel."

Onder leiding van Qin, het team voerde ook simulaties uit om te zien hoe een kreeftenmembraan zou reageren op een eenvoudige snede als de chitinevezels waren uitgelijnd zoals multiplex, versus in volledig willekeurige oriëntaties. Om dit te doen, ze simuleerden eerst een enkele chitinevezel en gaven deze bepaalde mechanische eigenschappen, zoals sterkte en stijfheid. Vervolgens reproduceerden ze miljoenen van deze vezels en assembleerden ze tot een membraanstructuur bestaande uit ofwel volledig willekeurige vezels of lagen van nauwkeurig georiënteerde vezels, vergelijkbaar met het eigenlijke kreeftenmembraan.

"Het is verbazingwekkend om een ​​platform te hebben waarmee we direct kunnen testen en laten zien hoe identieke chitinevezels zeer verschillende mechanische eigenschappen opleveren als ze eenmaal in verschillende architecturen zijn ingebouwd", zegt Qin.

Eindelijk, de onderzoekers creëerden een kleine inkeping door zowel de willekeurige als gelaagde membranen, en geprogrammeerde krachten om elk membraan uit te rekken. De simulatie visualiseerde de spanning door elk membraan.

"In het willekeurige membraan, de stress was allemaal gelijk, en toen je het uitrekte, het brak snel, " zegt Guo. "En we ontdekten dat de gelaagde structuur meer uitgerekt was zonder te breken."

"Een mysterie is hoe de chitinevezels kunnen worden geleid om te assembleren tot zo'n unieke gelaagde architectuur om het kreeftenmembraan te vormen, " zegt Qin. "We werken eraan dit mechanisme te begrijpen, en geloven dat dergelijke kennis nuttig kan zijn om innovatieve manieren te ontwikkelen om de microstructuur voor materiaalsynthese te beheren."

Naast flexibele kogelvrije vesten, Guo says materials designed to mimic lobster membranes could be useful in soft robotics, as well as tissue engineering. Als iets, the results shed new light on the survival of one of nature's most resilient creatures.

"We think this membrane structure could be a very important reason for why lobsters have been living for more than 100 million years on Earth, " Guo says. "Somehow, this fracture tolerance has really helped them in their evolution."

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), een populaire site met nieuws over MIT-onderzoek, innovatie en onderwijs.