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开心果核桃是最难破解的坚果

一位艺术家的渲染图显示了胡桃(左)和开心果壳(右)中互锁的 3D 拼图形状的细胞。 塞巴斯蒂安·J·安特雷奇

开心果核桃是最难破解的坚果

就像任何一个喜欢坚果的人一样,Notburga Gierlinger 总是对两三个未破裂的开心果感到沮丧,这些开心果不可避免地会出现在袋子的底部。开心果壳好难破解,“我总怕我把牙折断!” 维也纳自然资源与生命科学大学的生物物理学家 Gierlinger 说。现在,她和她的同事们发现了为什么贝壳如此坚固。天鹅绒般的坚果被包裹在一个“巧妙”的微观结构中,这些细胞紧密结合在一起,它们从不松手。这种材料足够坚固,有朝一日可能会用于制造安全头盔等减震物品。

“这些组织实现了材料科学的圣杯,”未参与这项新工作的伦敦帝国理工学院生物工程师 Naomi Nakayama 说。她说,像玻璃这样坚硬的材料往往很脆,而且相对容易破裂,而更坚硬的材料往往是柔韧的,如蜘蛛丝。“但这些 [壳] 结合了刚度和韧性。”

为了找出是什么让坚果如此难以破解,Gierlinger 和她的同事们花了数年时间探索松树、开心果和胡桃壳等的生物力学。两年前,他们发现了核桃壳坚韧的秘密:它由具有互锁裂片的3D 拼图形细胞组成。去年,他们发现开心果壳中的细胞也有这些裂片。大多数坚果壳都包含多种细胞,而核桃和开心果只有一种。

为了弄清楚这些细胞有多坚固,Gierlinger 的团队使用最先进的设备进行了一项新实验。Nakayama 说,他们使用微型计算机断层扫描仪和电子显微镜、原子力显微镜和红外显微镜在纳米尺度上检查了核桃壳和开心果壳的碎片——这是一种“材料科学糖果店”设备。

Gierlinger 和她的同事发现,与核桃壳中的细胞一样,开心果壳中的互锁细胞与 14 个相邻的细胞相连。两个壳中的细胞也有坚韧的细胞壁,里面装满了螺旋状的微纤维线圈。但拉伸强度测试表明,开心果壳材料要强得多,这可能是因为它的细胞的裂片数量是核桃细胞的三倍。研究人员今天在皇家学会开放科学杂志上报告说,这使它们相互锁定的表面积增加了30%。与核桃细胞不同,开心果细胞通过球形关节结构连接,类似于人类髋关节,如 3D 动画

当研究人员在显微镜下观察破碎贝壳的边缘时,他们发现许多核桃细胞与相邻的细胞分离,细胞壁像乐高积木顶部的圆形凸起一样突出。相比之下,开心果细胞进行了更大的斗争。大多数人从未与邻居分开。取而代之的是,分裂开心果壳材料需要切开单个细胞——包括它们坚韧的、盘绕的壁。

康奈尔大学的生物物理学家卡尔·尼克拉斯(Karl Niklas)没有参与这项研究,他说,核桃壳和开心果壳对壳结构内不同水平的机械力的不同反应方式让他感到震惊。它们的特性使其成为制造安全头盔和汽车保险杠等减震装置的理想选择。那是因为它们可以吸收撞击的能量,并通过弯曲或拉伸而不是断裂,使其远离要保护的物体。“你试过用锤子敲碎开心果壳吗?” 他说。“我有,而且不容易!”

对于 Gierlinger 来说,这项研究还提供了一个宝贵的教训:如果你用牙齿咬开未开封的开心果,请瞄准一个薄弱点——接缝。或者更好的是,使用胡桃夹子。

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