Új anyagokat ihlethet egy halpikkely

Eresszünk össze egy csapat kiéheztetett piranhát és egy 130 kilogrammos halat. A győztes a magányos óriás, a brazíliai arapaima lesz.

Az arapaima sikerének titka különleges felépítésű pikkelyeiben rejlik, ami inspirációt adhat a hajlékony kerámiákat fejlesztő mérnököknek. A brazil halfajt az Amazonas-medencében kezdte tanulmányozni évekkel ezelőtt Marc Meyers, a San Diego-i Kalifornia Egyetem mérnök professzora. A műszaki és űrrepülési mérnök érdeklődését a piranhák által lakott tavakban élő hal páncélszerű pikkelyei keltették fel. A kérdés az volt, hogyan képes az arapaima a túlélésre egy olyan közegben, ahol szinte minden más állat elpusztulna.

Meyers és munkatársai tető alá hoztak egy laboratóriumi kísérletet, ami gépek alkalmazásával vizsgálta a piranha harapásának és az arapaima páncéljának a találkozását. Egy ipari lyukasztógéphez hasonló eszközre piranha fogakat erősítettek, amit belemélyesztettek egy arapaima pikkelyekkel bevont puha felületbe, utóbbi a hal izomzatát hivatott utánozni. A kísérletben a fogak helyenként behatoltak ugyan a pikkelyek közé, de eltörtek, mielőtt elérték volna a puha izomzatot.

A pikkely egy erősen ásványosodott külső réteggel és különleges rétegezett belső szerkezetével hatástalanítja a piranha pengeéles harapását. Az anyagok keveréke hasonló a fogzománchoz, magyarázta Meyers, hozzátéve, a természetben gyakori, hogy egy lágyabb elegyet kemény borítás vesz körül. Ezt a kombinációt próbálják reprodukálni a mérnökök többek közt a katonák páncéljainál, aminek egyszerre kell keménynek és rugalmasnak lennie, ha hatékony alkalmazást szeretnének. A kutatások között azonban megtalálhatók az üzemanyacellák, különböző szigetelések és az űrrepülési alkalmazások is.

Meyers a biomimetika szakértőjeként úgy véli, a hagyományos anyagokkal és eljárásokkal ma már önmagukban nem érhetünk el áttöréseket. "Maximálisan kihasználtuk a leleményességünket, azonban vannak esetek, amikor a természethez kell fordulnunk" - taglalta. "A természet, bár anyagai önmagukban nem túl erősek, olyan találékony módokon kombinálja azokat, hogy az általunk készítetteknél erősebb alkotóelemeket és konstrukciókat eredményez"

Az arapaima esetében a különlegesen megszerkesztett pikkelyek biztosítják az erőviszonyok egyensúlyát, lehetővé téve a piranhákkal való együtt élést, egyben értékes tapasztalatokkal gazdagítva a mérnököket. A kemény és puha anyagok kombinációjával a pikkelyek többszörösen is ellenállóvá válnak a harapásokkal szemben. A pikkelyek akár a tető zsindelyezése, átfedik egymást, miközben minden egyes pikkely rendkívül erős ásványosodott réteggel rendelkezik. A réteg alatt jóval lágyabb kollagénszálak helyezkednek el, melyek váltakozó irányokban szövik át a pikkely belsejét, egy furnérszerű szerkezetet eredményezve. A külső szerkezet kétszer olyan kemény, mint a belső, a pikkely egészének ellenálló képességét mégis a belső szerkezet, egészen pontosan a szálrétegek különböző irányú elhelyezkedése adja.

Az Amazonas környékén élők a barázdált arapaimas pikkelyeket, melyek hossza eléri a 10 centimétert, körömreszelőként is használják. A recézett felületnek köszönhetően a pikkely vastag ásványos felszíne úszás közben is sértetlen marad, amikor a hal meghajlítja azokat. Az állandó vastagságú kerámia felületek megfeszülnek, amikor egy meghajlított felületet kell követniük, a recézés azonban lehetővé teszi a pikkelyek meghajlítását anélkül, hogy elrepednének, magyarázta Meyer.

A recézés, a puha, ugyanakkor erős belső réteg és a pikkelyek vízfelvétele együttesen járulnak hozzá az egyszerre erős és rugalmas szerkezethez, ami egy olyan mérnöki megoldás a természet részéről, mellyel a hal mozgékony, mégis maximálisan védett marad.

Meyer szerint a kagylóhéjtól a tukán csőréig, a természet világa bővelkedik az inspirációkban a 21. század anyagtudósai számára. Következő projektje egy hatalmas dél-amerikai hal pikkelyeivel kapcsolatos, amit a bennszülött törzsek nyílhegyként használtak, miután nemrég kapott néhány mintát egy Louisiana-i művésztől, aki ékszereket készít az elefántcsont színű pikkelyekből. Hallgatói többek közt kagylóhéjakkal és teknős páncéllal kísérleteznek, a biomimetika sok tekintetben az ipar gyökereihez való visszatérés, amikor az emberek bőrrel, csontokkal és fával dolgoztak. "Sokkal nagyobb teljesítményű anyagokat állítottunk elő, azonban kezdjük elérni a szintetikus anyagok határait" - mondta Meyer. "A biomimetika újra megvizsgálja ezeket a természetes anyagokat, hogy megválaszoljuk a kérdést, hogyan rakta össze a természet ezeket a dolgokat?"