|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
В прошлом, 2012 году я обратил внимание на то, что надкрылья одного вида
долгоносика при монтировании трудно протыкаются булавкой, тогда как надкрылья
других видов - легко. С чем это связано? С толщиной, твердостью или
особенностью строения надкрылья конкретного вида долгоносика? Четкого ответа я
не нашел. Тогда я обратился в нанолабораторию. Я был там в 2012 году на
экскурсии после участия в наноолимпиаде, тогда очень мне хотелось увидеть
атомно-силовой микроскоп. Сергей Алексеевич Портнов, заведующий Лабораторией
наноструктур и микрокапсул ОНИ наноструктур и биосистем СГУ, очень отзывчивый
человек. Я выражаю ему и всему его коллективу глубокую благодарность! Он
предложил мне свою техническую помощь, и мы вместе в этом, 2013 году попытались
посмотреть структуру надкрылья долгоносика.
Для этого потребовалось: надкрылье долгоносика, воск (свеча), микротом, атомно-силовой
микроскоп.
Рис. 1. Выбранные образцы. | 
Рис. 2. Вытяжной стол. Подготовка к работе. |
Как мне объяснили, основная сложность работы с атомно-силовым микроскопом
заключается в качественном приготовлении образца и прикрепление его к подложке.
Методика приготовления нашего образца заключалась в следующем: залить образец
парафином, остудить, разрезать на микротоме надкрылье строго перпендикулярно.
Приклеить к подложке. И можно смотреть.
Взяли несколько видов долгоносиков и бронзовку для сравнения.
Рис. 3. Самодельное приспособление из бумаги
|
Рис. 4. Воск залит и остывает. |
Рис. 5.
Микротом - инструмент для получения исследуемых |
Рис. 6. Режем образец. |
К сожалению, образец (надкрылье долгоносика) не удалось разрезать строго
перпендикулярно, чтобы посмотреть именно структуру перпендикулярного среза, не
хватило инструмента. Пришлось лишь соскоблить. Соскобленный образец прикрепили на
подложку скотчем!
Этот образец противоречил начальной идее, но мы все равно посмотрели
полученные образцы под АСМ.
Рис. 7. Атомно-силовой микроскоп. |
Рис. 8. Кантилевер (cantilever) - одна из основных частей АСМ. Кантилевер на фото обследует наш образец. |
Все результаты выдаются на экран монитора в виде фото или видео. Это очень длительный процесс! Мы пробыли в лаборатории с десяти до трех часов, без обеда! Вообще, работа ученых сложна и непредсказуема, особенно по времени!
|
 |
|
|
|
Рис. 11. Структура образца под АСМ.
|
Как отмечено выше, раз "опыт не совсем удался" из-за невозможности строго перпендикулярного среза надкрылья, то и резать другие экземпляры мы не стали, чтобы не тратить драгоценное время ученых. Они и так потратили его (правда, им было самим очень любопытно, они закончили со студентами учебный год и "появилось время поиграть". Еще мы посмотрели крыло мухи под АСМ, тоже интересно). На фото интересна именно слоистость структуры микроскопического кусочка надкрылья. Желаемого перпендикулярного среза не получилось. Хотя физикам был интересен даже такой результат.
Я попросил свою сестру - будущего биофизика, которая учится на 4 курсе в МГУ, посмотреть долгоносиков на их оборудовании. Это будет теперь только весной. Вообще-то она не очень любит заниматься крупными живыми существами, они там клетки изучают, мембраны, и что-то еще очень микроскопическое.
Но я попросил её спросить кого-нибудь про структуру. После некоторого сопротивления, она все же задала мой вопрос на конкурсе НАНОСКАН: http://www.nanoscan.info/?page_id=1187
Вот, что нам ответили:
Вообще
говоря, тот факт, что надкрылья долгоносика тяжело проколоть, не дает
информации об их твердости. Твердость является зависимой от эксперимента
характеристикой, измеряемой в условиях пластической деформации материала при
внедрении в него более твердого тела. Таким образом, твердость обычно
связывается с определенной точкой на диаграмме напряжение-деформация.
Взаимодействие достаточно тупого острия булавки с надкрыльями носит, скорее всего,
упругий характер; если же вам интересно узнать именно твердость материала вы
можете поцарапать или осуществить укалывание (индентирование) острой
трехгранной пирамидой (например, типа Берковича), способной развить напряжения,
достаточные для пластического течения. Таким образом, чувственные ощущения о
сопротивлении материала прокалыванию можно связать с большим модулем упругости,
который как раз определяется в том числе и строением материала. Известно (Sun
& Bhushan, 2012; Welch, Lousse, Deparis, Parker, & Vigneron, 2007), что
надкрылья Curculionidae в микронных масштабах имеют вид кристаллической
решетки. Структура имеет упаковку ABCABC и ГЦК решетку. Подобной структурой
обладает и самый твердый из доступных для широкого применения материал - алмаз.
Однако в решетке алмаза располагаются не 300 нм зерна, а атомы связанные sp3
связями. Таким образом, несмотря на жесткость самой структуры, значение имеет и
энергия связи элементов.
Изображение данных хитиновых структур может быть получено например сканирующим
электронным или атомно-силовым микроскопом, а вот для выяснения природы связей
и объединения атомов в зерна можно обратиться к методам моделирования, для
проверки результатов которых можно использовать методы наноиндентирования.
Литература
Sun, J., & Bhushan, B. (2012). Structure and mechanical properties of
beetle wings: a review. RSC Advances, 2(33), 12606. doi:10.1039/c2ra21276e
Welch, V., Lousse, V., Deparis, O., Parker, A., & Vigneron, J. P. (2007). Orange reflection from a three-dimensional photonic crystal in the scales of the weevil Pachyrrhynchus congestus pavonius (Curculionidae). Physical review. E, Statistical, nonlinear, and soft matter physics, 75(4 Pt 1), 041919. Retrieved from http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/17500933
Из ответа я не все понял, но был очень удивлен, узнав, что надкрылья Curculionidae в микронных масштабах имеют вид кристаллической решетки такой же, как у алмаза! Еще мне стало интересно, что ученые занялись наноструктурами насекомых совсем недавно. В статье написано о многовековом совершенствовании насекомых и необходимости изучения именно наноструктур, так как это поможет в создании новых материалов!
Нами было принято предложение о пробе на твердость. Мы, конечно, не уверены, что шкалу Мооса можно применить как эталон для твердости надкрылья. Но ведь ноготь для этого используется!
Поэтому мы взяли медную проволоку, стекло, кристалл кварца и мой ноготь.
Очистили поверхность надкрылья от щетинок.
Стали царапать. Ноготь не царапает надкрылье. Медная проволока с большим усилием - скорее разрушает, ломает. Стекло царапает. Кварц легко царапает. Если можно применить шкалу Мооса для органических тел, то получилась бы твердость 3.5 - 4.
Почему именно такая? Я предположил, что твердость надкрылий
определяется твердостью клюва птиц - основных хищников.
Вот, для справки, один из вариантов шкалы Мооса:
|
Твёрдость |
Эталонный минерал |
|
|
Обрабатываемость |
Другие минералы с аналогичной твердостью |
|
1 |
Тальк (Mg3Si4O10(OH)2) |
Царапается ногтем |
|||
|
2 |
Гипс (CaSO4ъ2H2O) |
Царапается ногтем |
|||
|
3 |
Кальцит (CaCO3) |
Царапается медной монетой |
|||
|
4 |
Флюорит (CaF2) |
Легко царапается ножом, оконным стеклом |
|||
|
5 |
Апатит (Ca5(PO4)3(OH-,Cl-,F-)) |
С усилием царапается ножом, оконным стеклом |
|||
|
6 |
Ортоклаз (KAlSi3O8) |
Царапается напильником |
|||
|
7 |
Кварц (SiO2) |
Поддаётся обработке алмазом, царапает стекло |
|||
|
8 |
Топаз (Al2SiO4(OH-,F-)2) |
Поддаётся обработке алмазом, царапает стекло |
|||
|
9 |
Корунд (Al2O3) |
Поддаётся обработке алмазом, царапает стекло |
|||
|
10 |
Алмаз (C) |
Режет стекло |
Матвей Никельшпарг, 2013 г.