Софонты

Как вы рассматриваете идею увеличения доли оксидов металлов в костях софонтов для придания им большей прочности при небольшом увеличение их массы? Так ваши кости, преимущественно состоящие из кальция и коллагена, имеют прочность на растяжение в 150 МПа, деформацию до разрушения 2% и вязкость разрушения в 4 МПа. Для конструкционного ( используемого в качестве основного компонента той или иной конструкции ) материала это не очень хорошо. Так мы можем производить множество видов легированной стали, которые в десять раз лучше по всем трем этим показателям. Но, конечно, есть и некоторые другие факторы, которые мы должны учитывать, чтобы сделать достаточно обоснованное сравнение. Человеческие, как впрочем и любые и другие, кости менее плотные и прочные, чем большинство используемых в строительстве или производстве металлов, и это важно, потому что вес наших костей сильно влияет на то сколько энергии вы будете тратить при той же ходьбе или совершенние иных действий, ведь мышцы у вас пока что остаются прежними, в то время как масса самих костей увеличивается. В основном любые кости представляют из себя трубчатые по форме, нагруженные при сжатии и изгибе, поэтому рациональное сравнение состоит в том, чтобы представить трубы, изготовленные из разных материалов, чтобы все они имели одинаковую длину и диаметр, а их толщина была отрегулирована таким образом, чтобы придать им одинаковый вес. Учитывая характеристики и свойства рассматриваемых материалов, мы можем подсчитать что за счёт использования, например, титанового сплава, масса наших костей будет примерно в 1,3 раза больше, чем у обычных костей того же веса. Но при этом стоит учитывать тот факт, что титановый сплав в 5 раз прочнее кальция, поэтому, очевидно, что избыточная масса костей будет невилироваться их прочностью. Есть еще одно важное свойство, которым не обладают инженерные ( используемые людьми ) материалы, а некоторые биологические ( используемые внутри организма ) материалы обладают, - это возможность самовосстановления. Если вы сломаете руку или ногу ваша кость рано или поздно заживет, на самом деле ваши кости постоянно повреждаются в результате циклических нагрузок, испытываемых при нормальной деятельности ( например ходьбе или частом поднятии тяжестей ). Небольшие трещины и вмятины, возникающие со временем, появляются и растут; в конце концов вы бы попросту развалились как какой-нибудь старый автомобиль, если бы не тот факт, что эти трещины постоянно ремонтируются нашим организмом. Этот непрерывный процесс обслуживания осуществляется живыми клетками, которым вероятно будет гораздо труднее восстанавливать повреждения на металлических костях. Но если бы у вас были металлические кости, они никогда не нуждались бы в ремонте: например, титановый сплав имеет усталостную прочность около 500 МПа, что более чем в пять раз превышает напряжения, которые он испытывал бы в своей жизни как кость. Ещё один аргумент, который часто выдвигают в отношении костей, заключается в том, что они обладают “уникальным сочетанием свойств”, а именно относительно высокой прочностью в сочетании с относительно низким модулем Юнга. Это правда, что если бы мы хотели сделать материал с тем же модулем, что и у наших костей ( около 15 ГПа ), то нам, вероятно, пришлось бы использовать некий композитный материал. Но в чем же достоинства этой комбинации свойств? Наличие относительно низкого модуля упругости и высокой прочности означает большую площадь под кривой напряжения/деформации и, следовательно, большого количества энергии, поглощаемой ею при деформировании. Эта энергия бывает двух типов, и оба из них могут быть для нас полезны. Для напряжений ниже предела текучести у нас есть энергия упругой деформации, которая может быть сохранена и высвобождена с относительно небольшими потерями. Это очень важно в динамических ситуациях: когда вы идете или, особенно, бегаете, энергия накапливается в течение одной части цикла ходьбы и высвобождается через долю секунды. Большая часть этой энергии хранится в ваших костях, мышцах и сухожилиях. При напряжениях выше предела текучести у нас есть энергия, которая поглощается, а не высвобождается: это очень полезно в ситуациях ударного разрушения, когда вы падаете или обо что-то ударяетесь. Так что да, важно иметь большую площадь под кривой напряжения-деформации, но, как вы возможно уже догадались, многие инженерные материалы превосходят кости и в этом отношении. Так обычная сталь обладает примерно такой же упругостью что и наши кости, состоящие из кальция, однако они способны поглощать примерно в 25 раз больше энергии нежели последние. Здесь мы пожалуй подходим к самому очевидному вопросу: как организм мог бы вырастить кости из металла? Логично, что вы не сможете расплавить или иным образом оказать на него схожее воздействие, а потом придать нужную форму металлу внутри вашего организма, однако, радует то, что нам возможно и не придётся этого делать. Для начала вам необходимо где-то получить достаточное количество железа или иных похожих металлов, которые мы собирались бы включить в состав наших костей. Железо, как впрочем и все остальные металлы, обладает интересным свойством, заключающимся в том, что если вы просто соберете два его кусочка в благоприятную химическую среду препятствовую окислению поверхности металла, вы получите процесс известный как " холодная сварка ". Таким образом, вы можете накапливать мелкие частицы железа в более крупные структуры - перемежая их с небольшим количеством цементита для увеличения содержания углерода - до тех пор, пока не получите самую настоящую сталь. Свойства стали в значительной степени зависят от размера и конфигурации монокристаллов, из которых она состоит ( конечно, помимо точного химического состава ). Как правило, более крупные кристаллы делают твердую, более хрупкую сталь, а более мелкие - более мягкими и гибкими Организм подобно созданию " эмали " из гидроксилапатита также вполне мог бы кристаллизировать вышеперечисленные структуры. Складывая и сваривая их вместе, вы могли бы построить матрицы желаемых свойств, как у нас внутри, но из стали. Если вы добавите специальные клетки избирательно ( по неким признакам) окисляющих некоторые части этого матрикса, у вас в итоге будут остеобласты и остеопласты, и ваши " стальные кости " будут иметь те же способности к самовосстановлению и естественной адаптации, что и обычные человеческие кости. Так для окисления и восстановления железа вам потребуется примерно 30-60 кДж/моль, что сопоставимо с энергией которая понадобится вам для производства молекулы АТФ = 57 кДж/моль. Обычно мы производим железо из руды при очень высоких температурах, потому что процесс, ограничивающий скорость, - это диффузия в твердом состоянии. Но наше тело производит материалы совсем по-другому, снизу вверх, атом за атомом, молекула за молекулой. И, конечно, дело в том, что вы уже постоянно окисляете и восстанавливаете железо в своем организме. Гемоглобин, являясь молекулой, переносит кислород в вашей крови, работает, имея в своем центре один ион Fe, степень окисления которого может быть изменена, чтобы позволить молекуле поглощать или высвобождать атомы кислорода. Эволюция, конечно, прекрасна, но у нее есть свои ограничения, и она лучше справляется с одними вещами, чем с другими. Например, эволюция очень хороша в изменении формы животных. Возьмем, к примеру, млекопитающих; у всех млекопитающих в основном практически одинаковый набор костей, единственное, что отличает вас от мыши, енота или слона, - это размеры и, в меньшей степени, форма отдельных костей. Грудина птицы, условно говоря, намного больше вашей, потому что это точка крепления основных мышц, используемых для движения крыльев во время полета. Такого рода морфологические изменения могут происходить постепенно от одного поколения к другому, позволяя видам адаптироваться. Однако, когда дело доходит до используемых организмом материалов, природа оказывается гораздо более консервативна. Практически все биологические материалы, будь то животные или растения, насекомые или рыбы, представляют собой волокнистые композиты, состоящие из белков и полисахаридов, армированных керамическими частицами на основе соединений кальция или кремния. Насколько нам известно, так было с незапамятных времен. В течение нескольких миллиардов лет не существовало твердых материалов, по крайней мере, если бы они были, они не оставили никаких записей с точки зрения окаменелостей. Примерно полмиллиарда лет назад природа, по-видимому, открыла трюк создания твердых материалов в процессе осаждения. Кости, например, очень мягкие при своём формирование и состоят в основном из белка коллагена. В течение нескольких месяцев они постепенно затвердевают благодаря осаждению соединения кальция гидроксиапатита (ГК), процесс, который контролируется живущими в костях клетками. Вероятно, мне не следовало бы так сурово относиться к природе, потому что в костях есть нечто весьма примечательное. У них есть разумные свойства, учитывая вещество, из которого они сделаны. Таа используемые при формирование костей материалы – коллаген и ГК – являются очень хрупкими по сравнению с созданными людьми полимерами, такими как эпоксидная смола и армирующие волокна, или такими как углерод или стекло. Так некоторые исследователи пытались сделать искусственную кость, используя эти природные материалы, однако результаты их работы оказались далеко не соответствующими механическим свойствам настоящих костей. И именно здесь подход природы "снизу вверх" оказывается настолько успешным, заключается в создании нанокомпозита. Размер кристаллов ( толщиной в несколько микрон ) аналогичен критическому размеру дефекта для этого хрупкого материала, что оптимизирует его использование. Существует также некоторая важная структура в масштабе ста микрон: элементы, называемые остеонами, выполняют ту же функцию, что и зерна в других материалах, выступая в качестве барьеров для роста трещин и, таким образом, повышая их прочность. Похожей особенностью обладает и удивительный чешуйчатый брюхоногий моллюск chrysomallon squamiferum, который также известен под названием железная улитка, обитающего рядом с гидротермальными подводными источниками в глубинах Индийского океана. Этот чешуйчатый гастропод ( биологическое название моллюска ) имеет необычную для улитки внешность. Его оболочка покрыта железом, а видимая часть мясистой стопы защищена металлической чешуей. Поэтому создается впечатление, что она бронированная. И это не обман зрения, как может показаться в первую секунду. Ногу моллюска на самом деле плотными рядами покрывают металлические чешуйки, состоящие из сульфидов железа. Раковина железной улитки также покрыта металлической защитной оболочкой, что делает её недосягаемой для большинства естественных врагов. Так же можно посмотреть и в сторону других материалов. Панцирь диатомовых водорослей состоит из керамики на основе диоксида кремния и небольшой примиси аллюминия, железа, магния и др. Весьма прочный керамический материал, при правильной структуре которого возможно добиться отличных результатов: керамику используют в качестве материала для тазобедренных суставов. В основном она выпекается на основе алюминия или сульфатов кальция. Так же можно армировать кость материалом, какой производят пауки Caerostris darwini, плетущие самую большую паутину в мире. Её ударная вязкость превосходит кевлар в 10 раз. Организм в теории способен на выплавку сплавов для образования костных структур, однако он достоверно способен на спекание керамик. Утверждать, что кости софонтов полностью будут состоять из стали, слишком смело, и это непрактично — слишком долгая регенерация в таком случае. Однако вы можете сделать кости из прочной керамики оптимальной структуры, какую мы используем, к примеру, для эндопротезов, поскольку организмы способны создавать структуры любой сложности из керамики. Её можно армировать волокнами стали, не несущие основной нагрузки, но в качесвтве композита увеличивая прочностные характеристики больше, чем если бы вы использовали одну лишь сталь. Вдобавок, я вспомнил о Пауках Дарвина, чья паутина может достигать пары метров в размере. Этот материал прочнее кевлара и может синтезироваться организмом, а потому его разумно использовать как армирующее волокно в костях. Средние показатели прочности на сжатие человеческих костей: Прочность на сжатие 170 МПа Твердость гидроксилапатита: 5 ( по шкале Мооса ) Напряжение сдвига: 51,6 МПа Как вы возможно знаете, кальций - это точно такой же металл что и железо, пускай и со значительно меньшей металличностью. В среднем масса скелета взрослого человека составляет 13,6 килограммов. Если же мы заменим половину кальция в ваших костях на подобие коллагена и смеси железа и некоторых других веществ в следовых количествах ( так как чистое железо подвержено коррозии, что неизбежно может произойти внутри живого организма ) то он будет весить 16,2 килограмма, в то время как сравнивательные показатели прочности на разрыв будут следующими: Кальций: Модуль сдвига: 7,4 ГПа Твердость по Моосу: 1,75 Твердость по Бринеллю : 170-416 МПа Железо: Модуль сдвига: 82 ГПа Твердость по Моосу: 4 Твердость по Бринеллю: 200-1180 МПа Что согласитесь крайне неплохо, учитывая относительно небольшое увеличение массы костей. Однако у металлов есть один серьёзный недостаток, заключающийся в том, откуда взять достаточное для формирования количество металлов и того как могли бы образовываться структурные компоненты подобных костей, учитывая использования настолько нетипичных материалов. Также обратите внимание, что обычно когда вы увеличиваете жёсткость костей ( уменьшаете их гибкость ) вы в свою очередь уменьшаете и их прочность, делая их более хрупкими. С последним довольно легко бороться композитной структурой: пусть кости пронизывают переплетенные металлические волокна, что делает их подобием троса - очень прочного на сжатие и растяжение и очень гибким на излом и кручение. Даже если керамическая основа треснет, арматура сохранит целосность и не даст кости сместиться, а потому в покое кость просто срегенерирует без последствий. Армирование велось вольфрамовыми нитями. Хотя кости софонтов не будут выносить температуру в 1200 градусов по цельсию, а их армирование вольфрамом невозможно вследствие его отсутствия в живой природе, это довольно приближенный к нашим условиям пример. Лучшие результаты показали нити длинной 12,7*0,05 мм при 20% объёмном заполнении прочность на растяжение достигла 18,5 кг/мм2 ( или 180 МПа )( результата с 30% заполнением не увидел, но полагаю, в таком случае результат достигнет и 19 кг/мм² ). Кость, к сравнению, имеет прочность в 1 МПа и коэффициент упругости в 20 ГПа — при весе человека берцовая кость сжимается лишь на 60 мкм ( шесть клеток ). Керамика на основе корунда (Al2O3) показала себя лучше всего: её прочность составляет 450 МПа, а модуль Юнга — 374 ГПа. Разумеется, структура кости будет отличаться от цельноспеченного керамического тела без микротрещин и примесей, но я полагаю, что кость софонта на основе оксид-алюминиевой и кальциевой керамики и армированная сталью будет иметь как минимум прочность в 120 — 160 МПа. Достоверно прикинуть модуль Юнга я не могу, но он будет находиться в диапазоне от 25 ГПа до 50 ГПа. Плотность слоновьих костей составляет 1 900 кг/м3. Плотность кости софонта составит приблизительно 5 000 — 5 200 кг/м³, что в 2,7 больше. Но учитывая превосходство прочности в 7,5 раза, кости софонтов в их организме составят даже меньшую массовую долю, чем в нашем, а потому они будут тратить на передвижение меньше паразитной энергии относительно массы тела, чем мы. Софонтам не страшно падать на ноги или что-то сломать. Примечание: разумеется, в их организме будет не корундовая керамика, но и её можно использовать, ведь оксида алюминия в природе полно - это глинозем. Основу кости будет составлять кальциевая керамика, как в панцирях у диатомовых водорослей. Армирование сплавами на основе железа, магния, натрия и цинка.