The new science of strong materials

Прим
.
перев
.
Примеры эффективного торможения трещин в минералах случайны
.
Когда же имеешь дело с биологическими
материалами
,
поражаешься огромной заботе
,
которую природа проявляла о разного рода поверхностях раздела
.
Конструкция зубов
-
прекрасное тому подтверждение
.
Зубы состоят из твердого вязкого поверхностного слоя
,
называемого эмалью
,
и сердцевины из дентина
.
И эмаль
,
и дентин содержат неорганические кристаллы удлиненной
формы
,
распределенные в органической матрице
.
Главное отличие между ними состоит в процентном содержании
органического и неорганического компонентов
.
Твердый компонент эмали и дентина
-
вытянутые кристаллы вещества
,
которое номинально представляет собой
гидроксилапатит
Ca
10
(PO4)
6
(OH)
2
.
Фактически же химический состав этих кристаллов изменяется в широких пределах
,
отражая условия
,
в которых они формировались
.
Обычно здесь присутствуют углеапатит
,
фтороапатит
,
фтористый
кальцин
,
карбонат кальция и
т
.
д
.
Кристаллы эти небольшие
,
их размер в эмали около
3000- 5000 
А в длину и
500-1200 
А
в толщину
.
В эмали они очень плотно упакованы
,
их содержание здесь составляет
99%
всего объема материала
.
Между

---

VIVOS VOCO: 
Дж
. 
Гордон
, «
Почему
мы
не
проваливаемся
сквозь
пол
» - 
Часть
2
http://vivovoco.rsl.ru/VV/PAPERS/TECHNICS/GORDON.1/PART02.HTM
отдельными кристалликами находится тонкий слой очень сложного органического соединения
,
состоящего главным
образом из протеина
.
Раньше считали
,
что это соединение подобно кератину
,
одному из типов протеина
,
содержащемуся
в волосах
,
однако сейчас полагают
,
что в зубной эмали содержится свой специальный сорт протеина
.
Между прочим
,
он
заметно изменяет свой состав при переходе владельца из младенческого возраста к зрелому
.
Дентин отличается от эмали прежде всего тем
,
что неорганическая составляющая занимает лишь около
70%
его объема
.
Кроме того
,
кристаллы апатита намного меньше и имеют
200-300 
А в длину и
40-70 
А в ширину
.
Средой
,
в которую эти
кристаллы заделываются
,
является органическая матрица
,
состоящая в основном из коллагена
.
Сцепление между гидроксилапатитом и слоями протеина имеет чрезвычайно сложную химическую природу
.
Частично
оно обеспечивается гидроксильными связями
,
а частично
-
ионными
(
см
.
приложение
I
).
Несомненно
,
существует очень
тонкая настройка величины этого сцепления
,
а следовательно
,
и характера распространения трещины
.
Однако слабая
органическая прослойка легко подвержена гниению
,
которое резко ускоряется
,
когда очаг разложения
,
пройдя слой
эмали
,
доходит до дентина
.
Но
,
вероятно
,
это разумный компромисс
:
если бы отсутствовал легкоуязвимый органический
слой
,
зубы не гнили бы с такой легкостью
,
но тогда они были бы хрупкими и
,
наверное
,
ломались бы еще в молодом
возрасте
*.
*
Я не мог найти каких
-
либо экспериментально полученных величин для прочности на разрыв
,
модуля упругости и ударной вязкости
материала зубов
.
Прочность на сжатие дентина составляет
20 
кГ
/
мм
2
,
эмали
- 70 
кГ
/
мм
2
.
Бонфилд и Ли исследовали недавно механические
свойства костей животных и слоновой кости
.
Для слоновой кости при
16°
С они получили
E=1750 
кГ
/
мм
2
,
продольную прочность на разрыв
22 
кГ
/
мм
2
,
прочность поперек бивня
10,5 
кГ
/
мм
2
. “
Свежая
”
коровья кость имеет прочность около
15 
кГ
/
мм
2
,
модуль упругости
- 2700 
кГ
/
мм
2
.
Ударная вязкость ненадрезанного образца этой кости составляет около
10
7
эрг
/
см
2
,
то есть она соизмерима с этой характеристикой для
стеклопластиков
,
свежей древесины и стали
.
Удельный вес кости
(
в том числе слоновой кости
)
составляет приблизительно
1,85 
г
/
см
3
.
Следовательно
,
удельная прочность этих материалов примерно вдвое превышает те же показатели для мягкой стали
,
но жесткость костей не
столь велика
. (
Этими данными я обязан Дж
.
В
. 
Маклину
.)
Очень часто в живых организмах для управления величиной сцепления на границах используется водородная связь в
гидроксильной группе
(-
ОН
).
Такой способ
,
безусловно
,
удобен в случаях постоянной влажности окружающей среды
.
Поэтому
,
когда человек использует природные органические материалы в сухих условиях
,
возникают определенные
трудности
.
Высушивание гидроксилов
,
то есть удаление водной оболочки
,
окружающей каждую гидроксильную группу
,
ведет к усадке материалов
,
таких
,
как древесины
.
Это может привести и к резкому охрупчиванию
,
так как прочность
границ становится слишком большой
.
То же самое может случиться и со слоновой
.
костью
,
строение которой очень
напоминает структуру зубов
.
В афинском Парфеноне была знаменитая статуя богини Афины из золота и слоновой кости
.
В те времена под крышей Парфенона было
,
должно быть
,
очень жарко и
,
чтобы предохранить слоновую кость от
охрупчивания и растрескивания
,
статуя была окружена неглубоким бассейном с водой
,
которая не только бросала снизу
отраженный свет на Афину
,
но и поддерживала достаточную влажность воздуха
.
Бассейн всегда был наполнен водой и
сохранял статую в течение почти восьми столетий
.
На полу Парфенона и сейчас можно видеть остатки кольцевой каемки
бассейна
,
глубина которого была всего около пяти сантиметров
.