Свойства зубного покрытия помогут создать легкие и прочные покрытия для летательных аппаратов
Способность эмали защищать ткань зуба на протяжении долгих лет поражает специалистов. Толщина этой защитной оболочки на различных участках зуба составляет от 0,01 до 3,5 мм. Однако, несмотря на кажущуюся хрупкость внешнего слоя, твердость эмали достигает 397,6 кг/кв. мм, таким образом, она лишь немного уступает алмазу. Причины такой нетипичной для тканей человеческого организма прочности решил выяснить профессор Херзл Чей из Тель-Авивского университета.
Совместно со своими коллегами из Университета Вашингтона ученый исследовал несколько сот извлеченных зубов, применяя к ним различные способы воздействия — от термического до механического. Кроме того, Чей детально изучил молекулярную структуру эмали, на основании чего смог сделать заключение о процессах, происходящих как во внешнем, так и в глубинных ее слоях.
"Понимание чрезвычайно сложной структуры зубной эмали открывает не только новые перспективы в медицине, но и подсказывает многообещающие решения для проектировщиков сверхпрочных корпусов самолетов и космических челноков, — говорит профессор Чей. — Наши зубы состоят из чрезвычайно сложного материала, который экстраординарным способом реагирует на высокие уровни внешнего давления. Поверхность зуба оценивает оказываемое на нее в процессе жевания и чистки давление. И если воздействие превышает допустимый порог чувствительности, что бывает в случае удара или другой травмы, на поверхности зуба возникает сеть микротрещин, которая помогает равномерно распределить напряжение, оказываемое на один участок эмали, по всей площади зуба. Эти микротрещины, как своеобразные каналы поглощают давление, рассеивая силу удара. Тем самым давление на эмаль уменьшается и зуб остается целым. Однако это еще не все. Эмаль также обладает способностью к самозалечиванию — сеть трещин в скором времени после негативного воздействия заполняется новыми частичками эмали, и микротрещины исчезают".
Такая способность эмали, по мнению исследователя, должна быть взята на вооружение производителями сверхпрочных материалов, продукция из которых подвергается агрессивному воздействию. И в первую очередь в скорейшей разработке материи, идентичной зубной эмали, по прогнозам ученого, будут заинтересованы инженеры летательных аппаратов. В авиационной промышленности и ракетостроении давно используются сложно структурированные материалы, которые препятствуют распаду защитного слоя при агрессивном воздействии. Например, корпус самолета производится из перемежающихся слоев стеклянных и углеродистых волокон, сцепленных ломкой матрицей. Однако линейная структура материала не спасает от разрывов — корпус не успевает "отыграть" сверхвысокое давление и распределить его по общей поверхности, из-за чего в месте удара возникает трещина.
В зубах же волокна располагаются "волнами", что позволяет амортизировать удар, и вместо одного глубокого повреждения возникает мелкая сетка трещин, не препятствующая функционированию зуба и не портящая его внешний вид. Способность материала производить микротрещины в ответ на перегрузки, а потом залечивать их, сделает самолеты практически неуязвимыми и значительно продлит срок эксплуатации. Например, попадая в зону турбулентности, пилот может не опасаться повреждения обшивки — она не только распределит нагрузку равномерно по всему корпусу, но и сама залатает образовавшиеся трещины непосредственно в ходе полета. Для того чтобы самолет смог самостоятельно чинить обшивку, один из ее слоев должен находиться в жидком состоянии. Как только на поверхности самолета появятся микротрещины, небольшие порции вещества начнут поступать в поврежденные участки и, вступая в контакт с воздухом, застывать, закрывая повреждения. Кроме того, в отличие от однородных слоев в корпусах космических кораблей и самолетов слои эмали различаются по своей толщине — от самого тонкого в наиболее защищенных областях до уплотненных в местах максимальной травматизации. Такое же распределение оболочки позволит укрепить только "слабые места", не перегружая при этом весь космический корабль лишними слоями обшивки. Таким образом, профессор Чей, будучи проектировщиком летательных аппаратов, полагает, что, если инженеры будут использовать в самолето- и ракетостроении волнистую структуру эмали зуба, механизм образования микротрещин и способность к самозаживлению, на выходе получатся более легкие и прочные летательные аппараты.
Однако, пока новые сведения о сверхпрочном материале рассматриваются инженерами, стоматологи уже взяли открытие в оборот и создают новые ультрапрочные защитные покрытия, препятствующие "износу" зубов. Дело в том, что обнаруженная способность эмали к самозалечиванию протекает крайне медленно. Стоматологи же, зная основные механизмы регенерации эмали, могут значительно ускорить данные процессы в искусственных аналогах эмали и получить покрытия, восстанавливающиеся в течение дня после травмы. "Дальнейшее изучение свойств эмали позволит создавать "умные" материалы с огромным потенциалом, которые могут быть использованы как в медицине, так и в промышленных и наукоемких сферах", — утверждает автор исследования.
Екатерина Люльчак