Морская губка и ее оптические волокна
Губы строят стеклянные структуры, воображающие собой волшебство инженерии
Когда вы последний раз беседовать по телефону или подключались к Вебу, вы, вероятнее всего, применяли оптические волокна. Мы достаточно много слышим о их, но что конкретно они собой представляют?
Это тонкие волокна из стекла (всего вдвое толще человеческой волоса).
Губы каждый денек прокачивают неограниченное количество воды, превышающее до 20 000 раз их личный количество (!) Существует около 6 тыщ видов этих созданий.
Многие губы образуют сложные и прекрасные формы – калоритные трубки, вазы, корзины, цилиндры и т.п.
Для поддержания таких структур они обладают внутренним скелетом, выстроенным из игл (спикул).
Но на этом чудеса дизайна не завершаются. Оказалось, что морская губка обладает неподражаемыми структурными особенностями, которые присваивают стабильность и механическую крепкость ее хрупкому материалу.
Губка Euplectella применяет набор трюков для перевоплощения ее хрупкого скелета в прочные структуры. Спикулы, составляющие скелет губы, устроены в форме решетки согласно открытой перекрещивающейся модели, усиленной слоем бесструктурного студенистого вещества (мезоглеи), которые идут на искосок в обоих направлениях в чередующихся квадратов (см.
Исследователи из Bell Labs проявили, что прекрасные спикулы этой губы являются неплохими оптическими волокнами.
Рис 2). В ней почти всегда живет пара креветок. У основания губы находится пучок волокон.
Существует класс так именуемых стеклянных губок, которые строят свой скелет из диоксида кремния (см. Рис 1).
Они складываются из оболочки и стержня, изготовленной из другого вида стекла.
Свет путешествует в волокна и передает сигналы, которые могут воспроизводить данные (звук, изображение и т.д.). Лучи света не покидают волокно, так как оболочка полностью отражает их назад внутрь стержня.
Изобретение оптических волокон произвело в свое время революцию в сфере телекоммуникаций.
Рис 3).
Губка применяет огромное количество слоев стекла, которые удерживаются органическим клеем, что делает структуру очень стойкой к трещинкам и разломам. Губка создаёт прочные микроскопичные волокна, склеивая вместе узенькие слои стекла.
Все губы характеризуются бессчётными порами на наружной поверхности. Вода, втягиваясь через эти поры, течет через трубчатые каналы и выходит через одно или пару большенных отверстий.
Рис 4).
Эта разработка строительства достаточно нередко употребляется в домах и высотных строениях для борьбы с напряжением при землетрясении или касательному напряжению, которое нормально может обвалить неусиленную квадратную структуру.
Последние исследования отыскали семь разных уровней структурной иерархии у губы.
У губок нет тканей, органов, дыхательной или кровеносной совокупы. Они поддерживают свой существование, прокачивая воду через собственные пористые тела и извлекая из нее маленькие питательные частички и растворенные вещества.
Губы относятся к простым беспозвоночным животным. Они крепко прикрепляются к дну моря, проводя всю свою жизнь без движений.
В чем все-таки секрет волокон губы? И как она их создаёт?
Исследователи из Bell Labs сообразили, что каждое волокно губы складывается из отдельных слоев с разными оптическими особенностями. Концентрические кремниевые цилиндры с органическим содержанием окружают внутренний стержень, что выстроен из незапятнанного кварцевого стекла (См.
Ученые сохраняют надежду скопировать био процессы губы для производства улучшенных систем и волокон, но вместе с этим признают, что новые технологии пока не могут конкурировать с утонченными оптическими совокупностями организмов.
Морская губка может обучить архитекторов и инженеров тому, как строить страно крепкие структуры из хрупкого материала.
SEM фото спикулы в поперечном сечении, показывающая органический филамент (OF), центральный цилиндр (CC), и слоистое покрытие (SS).
Морская губка обучит архитекторов
Границы меж узенькими слоями спикул губы останавливают распространение трещинкы. Сразу с этим волокна губы очень эластичные – вы сможете связать их в узел, и вместе с этим они не утратят собственных оптических особенностей.
Губы могут показаться легкими и мягенькими, но кое-какие из обитающих глубоко в океанах губок строят сложные стеклянные структуры, являющие собой волшебство инженерии.
В-3-х, они потрясающе проводят свет, так как содержат малюсенькое количество ионов Na, которые облагораживают оптические особенности.
Исследователь губок Джоанна Айзенберг отметила: Если б мы только смогли обучиться у природы, мы, может быть, в дальнейшем открыли бы другой способ производства оптических волокон. Во-2-х, волокна губы очень крепкие – они не лопаются и не разламываются как ненатуральные, у каких малая трещинка начинает просто распространяться по хрупкому материалу.
Подмена кабелей или их ремонт есть дорогой процедурой.
Во-1-х, они выполняются при низкой температуре в водах океана. Коммерческие волокна выполняются средством дорогого оборудования при огромных температурах в печи.
Но то, как губка это делает, все еще остается потаенной.
Рис 3. Структура спикулы губы Euplectella.
Рис 2. Замудренный цилиндрический скелет губы Цветочная корзина Венеры.
Сеть большенных спикул соединяется вместе для сотворения решеточной структуры.
Очень любопытно подчернуть, что эти обыкновенные сотворения могут выстраивать собственные спикулы из минеральных веществ или протеиновых волокон.
Рис 1. Стеклянные губы на глубине 500 м.
Хоть какой структурный уровень соответствует инженерии и базовым принципам строительства, которые интенсивно используются в инженерном проектировании, но вместе с этим в масштабе в одна тыща раз меньше, чем строение.
Скелет этого сотворения – просто учебник по инженерной механике, предлагает полезные познания, которые приведут к новым концепциям в инженерном проектировании и материаловедении – отметила Джоанна Айзенберг.
Рис 4. Структурные подробности морской губы Euplectella соответствуют инженерным правилам, используемым в конструкциях строений, таких как Swiss Re Tower в Лондоне, отеле De Las Artes в Эйфелевой башне и Барселоне в Париже.
Технологии грядущего
Губка может додавать эти ионы контролируемым образом, применяя органические молекулы при обыденных температурах. Ненатуральные волокна выполняются при огромных температурах, чтоб отчасти расплавлять стекло. В данном случае добавление контролируемых количеств ионов Na представляет делему для производителей.
Секрет непрост
Оболочка играет роль покрытия, как и в ненатуральных волокнах, делая спикулы неплохими проводниками света.
Волокна губы имеют последовательность преимуществ перед ненатуральными.
Но вот, что очень любопытно: морская губка Euplectella растит стеклянные спикулы, которые являются неплохими оптическими волокнами.
Украшение дна моря
Они растят спикулы, которые необыкновенным образом соединяются вместе для построения стеклянного домика.
Самая известная разновидность этого класса – это вид Euplectella, известная еще как Цветочная корзина Венеры. Ее скелет является решёткой из диоксида кремния, которая образует замудренную цилиндрическую помещение (см.
Позже она собирает слоистые волокна вместе для еще большей прочности. Это похоже на связку ветвей. Эти связки позднее располагаются в виде решетки.
Фантастические волокна
Их протяженность создает 5-15 см, а поперечник – 40-70 микронов (толщина человеческой волоса). Ученые были поражены сходством оптических волокон губок с волокнами, которые разрабатывались людьми в течение многих лет.
У спикул губок сложное строение – стержень из незапятнанного кварцевого стекла окружен концентрическими слоями из слоистой оболочки и органики.
Эти губы совершенно устрояются, с правильным числом материала, необходимым для оптимизации дизайна.
Я не могу представить, как структура такой трудности может быть произведена случаем – гласит Айзенберг.