Slangearter fra forskellige terræn overgiver overfladehemmeligheder bag glidende succes

Nogle slangearter glider hen over jorden, mens andre klatrer i træer, dykke gennem sand eller glide hen over vandet. I dag, forskere rapporterer, at overfladekemien i slangeskalaer varierer mellem arter, der forhandler disse forskellige terræn. Resultaterne kan have konsekvenser for design af holdbare materialer, samt robotter, der efterligner slangebevægelse for at krydse overflader, der ellers ville være ufremkommelige.

Forskerne præsenterer deres resultater i dag på forårsmødet i American Chemical Society (ACS).

Forskningen begyndte som et samarbejde med Woodland Park Zoo i Seattle, forklarer Tobias Weidner, Ph.d., projektets hovedforsker. En af zoologiske biologer fortalte Weidner, at man ikke vidste meget om slangefladernes kemi. "Biologer har typisk ikke teknikker, der kan identificere molekyler på det yderste lag af en overflade, såsom en slangeskala, "siger han." Men jeg er en kemiker - en overfladeforsker - så jeg følte, at jeg kunne tilføje noget til billedet med mit laboratoriums metoder. "

I det indledende projekt, forskerne opdagede, at landslanger er dækket af et lipidlag. Dette olieagtige lag er så tyndt - kun en eller to nanometer - at ingen havde lagt mærke til det før. Teamet fandt også ud af, at molekylerne i dette lag er uorganiserede på slangens rygskæl, men meget organiserede og tæt pakket på mavevægte, et arrangement, der giver smøring og beskyttelse mod slid.

"Nogle mennesker er bange for slanger, fordi de synes, de er slimede, men biologer fortæller dem, at slanger ikke er slimede; de er tørre at røre ved, "Siger Weidner." Det er rigtigt, men det er også ikke sandt, fordi vi på nanoskala fandt ud af, at de faktisk er fedtede og slimede, selvom du ikke kan mærke det. De er 'nanoslimi'. "

I den nye undersøgelse, holdet ønskede at finde ud af, om denne nanoslimiske overfladekemi er forskellig i arter tilpasset forskellige levesteder, siger Mette H. Rasmussen, en kandidatstuderende, der præsenterer de seneste fund på mødet. Både Weidner og Rasmussen er på Aarhus Universitet i Danmark.

Arbejde med nyligt skurede skind, Rasmussen sammenlignede overfladekemien i jorden, træ og sandslanger. Hun brugte laserspektroskopi og en elektronmikroskopiteknik, der undersøger overfladens kemi ved at banke elektroner ud af den med røntgenstråler. Projektet var et samarbejde med Joe Baio, Ph.d., ved Oregon State University; Stanislav Gorb, Ph.d., ved Kiel University og forskere ved U.S.National Institute of Standards and Technology.

Rasmussen fandt ud af, at træslangen har et lag bestilte lipidmolekyler på maven, ligesom jorden slange. Men sandslangen, der dykker gennem sand, har et bestilt lipidlag både på forsiden og bagsiden. "Fra en slanges synspunkt, det giver mening, "siger hun." Du vil gerne have denne friktionsreduktion og slidstyrke på begge sider, hvis du er omgivet af dit miljø i stedet for kun at bevæge dig over det. "Næste, forskerne vil finde ud af, hvor lipiderne kommer fra og se på variationer på tværs af andre slangearter, herunder dem, der lever i vand. De vil også gerne identificere lipiderne, selvom Weidner formoder, at lipidlagets kemiske sammensætning er mindre vigtig end organisationen og tætheden af ​​lipidmolekylerne, det indeholder.

Arbejdet kunne have brede anvendelser. "En slanges glidende bevægelse kræver konstant kontakt med overfladen, den krydser, som stiller strenge krav til friktion, slid og mekanisk stabilitet, "Rasmussen siger. Lær hvordan slanger bevarer integriteten af ​​deres hud, når de støder på skarpe sten, varmt sand og andre udfordringer kan hjælpe med design af mere holdbare materialer.

Ud over, siger forskerne, flere grupper udvikler robotter, der efterligner en slanges glidende eller sidevindede bevægelse og - i modsætning til robotter med hjul - derfor kan forhandle om vanskeligt terræn som stejlt, sandede skråninger. Disse grupper er for nylig begyndt at tage hensyn til mikrostrukturen i slangeskæl, Rasmussen bemærker, men skalaernes overfladekemi er også afgørende for deres ydeevne. At bringe disse felter sammen kan en dag føre til slangeagtige robotter, der er i stand til at hjælpe med redningsaktioner eller frigøre en Mars -rover, der sidder fast i sand, hun siger.