Vědci zkoumali kostru hvězdice. Našli v ní přírodní optický systém

Když se mluví o ochranných materiálech, většina inženýrů řeší hlavně pevnost, nízkou hmotnost a odolnost. Výzkum mořské hvězdice Protoreaster nodosus ale ukazuje, že příroda umí spojit mechanickou ochranu ještě s další funkcí. Kostra tohoto živočicha totiž obsahuje drobné minerální prvky, které dokážou pracovat se světlem.

Na objev přišel tým vedený Lingem Lim, docentem materiálového inženýrství na University of Pennsylvania. Vědci původně zkoumali, jak může být kostra mořské hvězdice zároveň porézní, lehká a odolná. Při detailním pohledu na konce ramen si ale všimli hladkých výběžků připomínajících malé čočky. Právě ty se nakonec staly hlavním tématem studie publikované v časopise Proceedings of the National Academy of Sciences.

První autorkou práce je doktorandka Liuni Chen. Na výzkumu spolupracovali odborníci z Penn Engineering, Virginia Tech, MIT, Bowdoin College, University of South Carolina a Zuse Institute Berlin. Společně popsali systém, který může být důležitý nejen pro biologii mořských živočichů, ale také pro budoucí vývoj takzvaných multifunkčních materiálů.

Protoreaster nodosus je známá také jako rohatá nebo čokoládová hvězdice. Žije v mělkých vodách Indo-Pacifiku a na první pohled zaujme výraznými hrbolky na povrchu těla. Z hlediska materiálového výzkumu je ale zajímavá hlavně její kostra.

Stejně jako další ostnokožci si hvězdice vytváří kosterní prvky z uhličitanu vápenatého. Ten je pro inženýry dobře známý. Je lehký a dostupný, ale sám o sobě poměrně křehký. Pokud se navíc takový materiál odlehčí pomocí pórů, běžně se očekává další ztráta pevnosti. Hvězdice však tento problém řeší jinak. Její kostra je silně porézní, ale díky přesné vnitřní architektuře zůstává mechanicky odolná.

Tým Linga Liho už dříve ukázal, že kosterní prvky hvězdice tvoří propracovanou mikromřížku. Ta pomáhá rozkládat napětí a brání tomu, aby se drobné praskliny snadno šířily celou strukturou. Nová studie k tomu přidává další překvapivý rozměr. Některé části kostry neslouží jen jako opora, ale zároveň vedou světlo dovnitř materiálu.

Výzkumníci tyto útvary označují jako světlo vodící struktury. Mají tvar drobných minerálních kuželů, které zasahují do kosterního prvku. Pomocí optických experimentů a počítačových simulací vědci zjistili, že jednotlivé struktury dokážou vést přibližně 70 procent dopadajícího světla a soustředit ho u své základny. Když fungují ve větším počtu vedle sebe, zachycují světlo z širšího zorného pole a vytvářejí výraznější signál než osamocený prvek.

Podobné čočkovité útvary byly u ostnokožců pozorovány už v minulosti, například u hadic. Jejich význam ale dlouho zůstával nejasný. Nová práce pomáhá vysvětlit, že nejde jen o zvláštní tvar minerální kostry, ale o funkční součást biologického materiálu.

Přesná úloha těchto struktur v životě hvězdice zatím není definitivně potvrzena. Světlo ale hraje u mořských organismů důležitou roli. Může jim pomáhat při orientaci, hledání úkrytu, vyhýbání se predátorům nebo při reakci na změny v okolí. Podstatné je, že kostra hvězdice zřejmě není pasivní schránkou. Je to materiál, který kombinuje oporu, ochranu a práci se světlem.

Právě tato kombinace je pro moderní inženýrství velmi lákavá. V praxi se často používají lehké pěny, panely, výplně nebo obalové materiály, které mají tlumit nárazy a chránit citlivé části. Pokud má takový materiál zároveň něco měřit, obvykle se do něj musí přidat samostatné senzory. To ale může zvýšit cenu, hmotnost i složitost výroby.

Hvězdice ukazuje elegantnější řešení. Optická funkce není přidána jako další součástka, ale vzniká přímo z tvaru a uspořádání minerální kostry. Jinými slovy, stejný materiál může nést zátěž a zároveň sbírat informace z okolí.

Do budoucích aplikací se proto nabízí například ochranné konstrukce, které nejen pohlcují náraz, ale zároveň sledují vlastní poškození. Podobný princip by mohl být zajímavý pro dopravu, letectví, kosmický průmysl, obaly pro citlivou techniku nebo lehké stavební prvky. Nejde o to kopírovat hvězdici doslova, ale pochopit princip, který příroda používá.

Důležitou roli hraje také geometrie. Ling Li upozorňuje, že v kostře hvězdice jsou přechody mezi póry mimořádně hladké. Díky tomu se napětí nerozkládá chaoticky, ale plynuleji po celé struktuře. Právě takové detaily mohou rozhodovat o tom, zda bude lehký porézní materiál pevný, nebo křehký.

Studie navíc naznačuje, že světlo vodící prvky nemusí kostru oslabovat. Simulace ukázaly, že mohou naopak přispívat i ke zvýšení tuhosti okolní části. To je pro vývoj nových materiálů velmi důležité, protože přidání nové funkce obvykle znamená nějaký kompromis. U hvězdice ale optická a mechanická role existují vedle sebe v jednom systému.

Výzkumníci nyní zkoumají, jak tyto struktury vznikají během růstu a regenerace. Jde o proces biomineralizace, při kterém živý organismus vytváří složité minerální útvary za běžných teplot a tlaků. Právě to může být pro průmysl mimořádně inspirativní. Současná výroba pokročilých materiálů často vyžaduje vysokou spotřebu energie, zatímco příroda podobné struktury staví mnohem úsporněji.

Zdroj: engineering.upenn.edu