Оригами в семенных коробочках
Некоторые растения рассеивают семена художественным способом: например, семенные коробочки растения Delosperma nakurense раскрывают крышечки над семенными камерами по принципу подвижного оригами при увлажнении дождём. К такому выводу пришли исследователи из Института коллоидов и интерфейсов им. Макса Планка в Потсдаме и Технического университета Дрездена, детально изучив механизм раскрытия.
Механизм движения
Крышечки открываются, потому что клетки на их внутренней стороне поглощают воду и меняют свою структуру. Растение, произрастающее в засушливых регионах, таким образом обеспечивает своим семенам благоприятные условия для прорастания. Исследователи хотят использовать эту модель для разработки материалов, которые двигаются при увлажнении или изменении температуры.
«В семенных камерах Delosperma nakurense мы наблюдали высоко сложное движение растительного материала, который уже не является живым», — говорит Ингобургерт.
Структура и принцип работы
Исследовательская группа обнаружила, что крышечки семенных коробочек раскрываются на своеобразной «петле» при намокании и снова закрываются при высыхании. При этом меняется кривизна крышечек, так что в сухом состоянии створки плотно герметизируют семенные камеры.
«Это скоординированный механизм складывания в двух направлениях, который мы знаем из подвижного оригами», — объясняет Мэттью Харрингтон.
Пять крышечек коробочки деформируются благодаря своей усовершенствованной структуре и clever combination свойств различных биологических материалов.
Ключевые особенности конструкции:
- Крышечки имеют треугольную форму, и раскрытая коробочка напоминает пятиконечную звезду.
- На стороне, которая в закрытом состоянии направлена вниз, а в открытом — вверх, находится сильно набухающая ткань.
- Эта ткань разделена на две половины и в открытом состоянии проходит от внутренней к внешней стороне крышечки, образуя узкий гребень.
- В сухом состоянии разделительная щель между половинами ткани содержит перегородки пяти семенных камер, обеспечивая герметичность.
Роль клеточной структуры
Механизм раскрытия стал понятен, когда учёные детально изучили структуру набухающей ткани. Она состоит из более или менее шестиугольных клеток, открывающихся вверх и образующих структуру, подобную пчелиным сотам.
Спектроскопические исследования показали, что клеточные стенки состоят в основном из целлюлозы и лигнина. Лигнин плохо впитывает воду, но внутри клетки находится целлюлоза без лигнина, которая активно поглощает воду и сильно набухает.
«Когда целлюлоза расширяется, шестиугольные клетки удлиняются преимущественно в продольном направлении крышечки, — объясняет Мэттью Харрингтон. — Сотовая структура расширяется в этом направлении и давит на крышечку». При высыхании целлюлозы структура сжимается, и створка закрывается.
Перспективы для технологий
«Механизм интересен для технических применений, потому что энергия для направленного движения уже запасена в самом материале», — говорит Петер Фратцль.
В рамках программы DFG 1420 «Биомиметические материалы: функциональность через иерархическую структуру» учёные стремятся перенести эту концепцию в технологии, которые можно использовать, например, в биомедицине или архитектуре.
Принцип также можно перенести на материалы, которые по-разному расширяются или сжимаются при изменении температуры. Например, это может быть тент, который автоматически разворачивается над террасой, когда солнце становится слишком жарким.