開心果核桃是最難破解的堅(jiān)果

一位藝術(shù)家的渲染圖顯示了胡桃(左)和開心果殼(右)中互鎖的 3D 拼圖形狀的細(xì)胞。 塞巴斯蒂安·J·安特雷奇

開心果核桃是最難破解的堅(jiān)果

就像任何一個喜歡堅(jiān)果的人一樣，Notburga Gierlinger 總是對兩三個未破裂的開心果感到沮喪，這些開心果不可避免地會出現(xiàn)在袋子的底部。開心果殼好難破解，“我總怕我把牙折斷!” 維也納自然資源與生命科學(xué)大學(xué)的生物物理學(xué)家 Gierlinger 說?，F(xiàn)在，她和她的同事們發(fā)現(xiàn)了為什么貝殼如此堅(jiān)固。天鵝絨般的堅(jiān)果被包裹在一個“巧妙”的微觀結(jié)構(gòu)中，這些細(xì)胞緊密結(jié)合在一起，它們從不松手。這種材料足夠堅(jiān)固，有朝一日可能會用于制造安全頭盔等減震物品。

“這些組織實(shí)現(xiàn)了材料科學(xué)的圣杯，”未參與這項(xiàng)新工作的倫敦帝國理工學(xué)院生物工程師 Naomi Nakayama 說。她說，像玻璃這樣堅(jiān)硬的材料往往很脆，而且相對容易破裂，而更堅(jiān)硬的材料往往是柔韌的，如蜘蛛絲。“但這些 [殼] 結(jié)合了剛度和韌性。”

為了找出是什么讓堅(jiān)果如此難以破解，Gierlinger 和她的同事們花了數(shù)年時間探索松樹、開心果和胡桃殼等的生物力學(xué)。兩年前，他們發(fā)現(xiàn)了核桃殼堅(jiān)韌的秘密：它由具有互鎖裂片的3D 拼圖形細(xì)胞組成。去年，他們發(fā)現(xiàn)開心果殼中的細(xì)胞也有這些裂片。大多數(shù)堅(jiān)果殼都包含多種細(xì)胞，而核桃和開心果只有一種。

為了弄清楚這些細(xì)胞有多堅(jiān)固，Gierlinger 的團(tuán)隊(duì)使用最先進(jìn)的設(shè)備進(jìn)行了一項(xiàng)新實(shí)驗(yàn)。Nakayama 說，他們使用微型計(jì)算機(jī)斷層掃描儀和電子顯微鏡、原子力顯微鏡和紅外顯微鏡在納米尺度上檢查了核桃殼和開心果殼的碎片——這是一種“材料科學(xué)糖果店”設(shè)備。

Gierlinger 和她的同事發(fā)現(xiàn)，與核桃殼中的細(xì)胞一樣，開心果殼中的互鎖細(xì)胞與 14 個相鄰的細(xì)胞相連。兩個殼中的細(xì)胞也有堅(jiān)韌的細(xì)胞壁，里面裝滿了螺旋狀的微纖維線圈。但拉伸強(qiáng)度測試表明，開心果殼材料要強(qiáng)得多，這可能是因?yàn)樗募?xì)胞的裂片數(shù)量是核桃細(xì)胞的三倍。研究人員今天在皇家學(xué)會開放科學(xué)雜志上報(bào)告說，這使它們相互鎖定的表面積增加了30%。與核桃細(xì)胞不同，開心果細(xì)胞通過球形關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)連接，類似于人類髖關(guān)節(jié)，如 3D 動畫

當(dāng)研究人員在顯微鏡下觀察破碎貝殼的邊緣時，他們發(fā)現(xiàn)許多核桃細(xì)胞與相鄰的細(xì)胞分離，細(xì)胞壁像樂高積木頂部的圓形凸起一樣突出。相比之下，開心果細(xì)胞進(jìn)行了更大的斗爭。大多數(shù)人從未與鄰居分開。取而代之的是，分裂開心果殼材料需要切開單個細(xì)胞——包括它們堅(jiān)韌的、盤繞的壁。

康奈爾大學(xué)的生物物理學(xué)家卡爾·尼克拉斯(Karl Niklas)沒有參與這項(xiàng)研究，他說，核桃殼和開心果殼對殼結(jié)構(gòu)內(nèi)不同水平的機(jī)械力的不同反應(yīng)方式讓他感到震驚。它們的特性使其成為制造安全頭盔和汽車保險杠等減震裝置的理想選擇。那是因?yàn)樗鼈兛梢晕兆矒舻哪芰?，并通過彎曲或拉伸而不是斷裂，使其遠(yuǎn)離要保護(hù)的物體。“你試過用錘子敲碎開心果殼嗎?” 他說。“我有，而且不容易!”

對于 Gierlinger 來說，這項(xiàng)研究還提供了一個寶貴的教訓(xùn)：如果你用牙齒咬開未開封的開心果，請瞄準(zhǔn)一個薄弱點(diǎn)——接縫。或者更好的是，使用胡桃夾子。

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