Właściwości strukturalne muszli mięczaków jako inspiracja inżynierii bionicznej

• Authors: Krzysztof Brom , Mariusz Salamon , Sylwia Skreczko

Title variants

EN

The structural properties of mollusc shells as inspriation for bionic engineering

• Languages of publication: PL EN

Abstracts

PL

Inżynieria bioniczna to stosunkowo młoda dziedzina nauki zajmująca się opracowaniem nowych rozwiązań w technice, inspirując się tymi, które obecne są już w przyrodzie ożywionej. Rozwiązania takie są wysoce wydajne i obiecujące ze względu na to, iż organizmy żywe, ewoluując od milionów lat pod presją czynników środowiskowych, wykształciły zoptymalizowane adaptacje mające zredukować tę presję. Przykładem takiej adaptacji są muszle mięczaków (Mollusca), które pojawiły się w zapisie kopalnym już w kambrze (ok. 500 milionów lat temu) i których podstawową funkcją od tego czasu jest ochrona ciała zwierzęcia przed drapieżnikami. Pomimo, że głównym składnikiem mineralnym muszli mięczaków jest stosunkowo kruchy węglan wapnia (pod postacią aragonitu i/lub kalcytu), charakteryzuje się ona niezwykłymi właściwościami mechanicznymi, polegającymi na dużej zdolności do rozpraszania energii działających sił zewnętrznych. Spowodowane jest to głównie jej zhierarchizowaną budową oraz dodatkiem substancji organicznej, które znacząco zwiększają jej wytrzymałość. Obecnie środowisko naukowe dąży do wytworzenia materiałów o podobnych atrybutach naśladując hierarchiczną budowę muszli oraz tworząc mineralno-organiczne materiały kompozytowe, dzięki czemu być może w przyszłości możliwa się stanie produkcja takich materiałów oraz ich powszechny użytek.

EN

Bionical creativity engineering is a relatively young branch of science concerned with development of new solutions in technique, inspired by those that are already present in nature. Such solutions are highly efficient and promising due to the fact that living organisms have been evolving for millions of years under the pressure of environmental factors and had developed a highly optimized adaptations designed to reduce this pressure. An example of such adaptation are mollusc shells (Mollusca), which first appeared in the Cambrian fossil records (ca. 500 million years ago), the primary function of which since that time is to protect the animal inside against predators. Despite the fact that the shell is made of relatively fragile components (calcium carbonate in aragonite and/or calcite form), it has remarkable mechanical properties. This is mainly due to its hierarchical structure and presence of inclusions of organic matter, which significantly increase its resistance to external forces. Currently, researchers are seeking a way to produce materials with similar attributes forging a hierarchical construction of the shell and creating mineral-organic composite materials, so that it may be possible to produce such materials in the future for a widespread use.

• Journal: Kosmos
• Year: 2015
• Volume: 64
• Issue: 2
• Pages: 365-375

Dates

published

2015

References

• Atkins C. J., Peel J. S., 2008. Yochelcionella (Mollusca, Helcionelloida) from the lower Cambrian of North America. Bull. Geosci. 83, 23-38.
• Bandel K., 1990. Shell structure of the Gastropoda excluding the Archaeogastropoda. [W:] Skeletal Biomineralization: Patterns Processes and Evolutionary Trends. Volume I. Carter J. G. (red.). Van Nostrand Reinolds, New York, 117-134.
• Baohua J., Gao H., 2004. Mechanical properties of nanostructure of biological materials. J. Mech. Phys. Solids 52, 1963-1990.
• Barthelat F., Rim J. E., Espinosa H. D., 2009. A review on the structure and mechanical properties of mollusk shells. perspectives on synthetic biomimetic materials. [W:] Applied Scanning Probe Methods XIII. Biomimetics and Industrial Applications. Bhushan B., Fuchs H. (red.). Springer, 17-44.
• Bengtson S., Morris S. C., 1992. Early radiation of biomineralizing phyla. [W:] Origin and Early Evolution of the Metazoa. Lipps J. H., Signor P. W. (red.). Plenum Press, New York, 447-481.
• Bowen C. E., Tang H., 1996. Conchiolin-protein in aragonite shells of mollusks. Comp. Biochem. Physiol. 115A, 269-275.
• Carter J. G., Bandel K., de Buffrénil V., Carlson S., Castanet J., Dalingwater J., Francillon-Vieillot H., Géraudie J., Meunier F. J., Mutvei H., de Ricqlès A., Sire J. Y., Smith A., Wendt J., Williams A., Zylberberg L., 2013. Glossary of skeletal biomineralization. [W:] Skeletal Biomineralization: Patterns, Processes and Evolutionary Trends. Carter J. G. (red.). American Geophysical Union, 33-352.
• Chateigner D., Hedegaard C., Wenk H. R., 2000. Mollusc shell microstructures and crystallographic textures. J. Struct. Geol. 22, 1723-1735.
• Chavan A., 1969. Lucinacea. [W:] Treatise on Invertebrate Paleontology. Moore R. C. (red.). New York 2, 491-517.
• Checa A., 2000. A new model for periostracum and shell formation in Unionidae (Bivalvia, Mollusca). Tissue Cell 32, 405-416.
• Chen P. Y., Lin A. Y. M., Lin Y. S., Seki Y., Stokes A. G., Peyras J., Olevsky E. A., Meyers M. A., McKittrick J., 2008. Structure and mechanical properties of selected biological materials. J. Mech. Behav. Biomed. Mat. 1, 208-226.
• Clegg W. J., Kendall K., Alford N., Button T. W., Birchall J. D., 1990. A simple way to make tough ceramics. Nature 347, 6292, 455-457.
• Currey J. D., 1977. Mechanical Properties of Mother of Pearl in Tension. Proc. B Royal Soc. 196, 443-463.
• Dyduch-Falniowska A., Piechocki A., 1993. Mięczaki (Mollusca) - Małże (Bivalvia). Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa.
• Dzik J., 2003. Systematyka organizmów. [W:] Dzieje życia na Ziemi. Dzik J. (red.). Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa, 457-492.
• Espinosa H. D., Juster A. L., Latourte F. J., Loh O. Y., Gregoire D., Zavattieri P. D., 2010. Tablet-level origin of toughening in abalone shells and translation to synthetic composite materials. Nature Commun. 2, 173.
• Futuyma D. J. 2008. Koewolucja: rozwijanie interakcji międzygatunkowych. [W:] Ewolucja. Futuyma D. J. (red.). Wydawnictwa Uniwersytetu Warszawskiego, Warszawa, 437-456.
• Furuhashi T., Schwarzinger C., Miksik I., Smrz M., Beran A., 2009. Molluscan shell evolution with review of shell calcification hypothesis. Comp. Biochem. Physiol. B 154, 351-371.
• Grégoire C., 1961. Structure of the conchiolin cases of the prisms in Mytilus edulis Linne. J. Biophys. Biochem. Cytol. 9, 395-400.
• Grégoire C., 1972. Structure of the molluscan shell. Chem. Zool. 2, 45-102.
• Harper E. M., 1994. Are conchiolin sheets in corbulid bivalves primarily defensive? Palaeontology 37, 551-578.
• Haszprunar G., Schander C., Halanych K. M., 2008. Relationships of higher molluscan taxa. [W:] Phylogeny and Evolution of the Mollusca. Ponder W. F., Lindberg D. R. (red.). California Scholarship Online, California, 19-32.
• Hedegaard C., 1997. Shell structures of the recent Vetigastropoda. J. Moll. Stud. 63, 369-377.
• Hou D. F., Zhou G. S., Zheng M., 2004. Conch shell structure and its effect on mechanical behaviors. Biomaterials 25, 751-756.
• Ishikawa M., Kase T., 2007. Multiple predatory drill holes in Cardiolucina (Bivalvia: Lucinidae): Effect of conchiolin sheets in predation. Palaeogeogr. Palaeoclim. Palaeoecol. 254, 508-522.
• Jackson D. J., McDougall C., Woodcroft B., Moase P., Rose R. A., Kube M., Reinhardt R., Rokhsar D. S., Montagnani C., Joubert C., Piquemal D., Degnan B. M., 2010. Parallel evolution of nacre building gene sets in molluscs. Mol. Biol. Evol. 27, 591-608.
• Jura C., 2005. Gromada: małże - Bivalvia. [W:] Bezkręgowce - Podstawy morfologii funkcjonalnej, systematyki i filogenezy. Jura C. (red.). Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa, 673-686.
• Katti K. S., Katti D. R., Mohanty B., 2010. Biomimetic lessons learnt from nacre. [W:] Biomimetics Learning from Nature. Mukherjee A. (red.). Tech Rijeka, 193-216.
• Kobayashi I., Kamiya H., 1968. Submicroscopic observations on the shell structure of Bivalvia. III. Genus Anadara. J. Geol. Soc. Jap. 74, 351-362.
• Kosnik M. A., Alroy J., Behrensmeyer A. K., Fürsich F. T., Gastaldo R. A., Kidwell S. M., Kowalewski M., Plotnick R. M, Rogers R. R., Wagner P. J., 2011. Changes in shell durability of common marine taxa through the Phanerozoic: evidence for biological rather than taphonomic drivers. Paleobiology 37, 303-331.
• Kouchinsky A. V., 1999. Shell microstructures of the Early Cambrian Anabarella and Watsonella as new evidence on the origin of the Rostroconchia. Lethaia 32, 173-180.
• Krebs C. J., 2011. Ewolucja i 'wyścig zbrojeń'. [W:] Ekologia. Krebs C. J. (red.). Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa, 27-28.
• Marin F., Luquet G., 2004. General Palaeontology (Palaeobiochemistry): Molluscan shell proteins. Compt. Rend. Palevol 3, 469-492.
• McRoberts C. A., 2001. Triassic bivalves and the initial marine Mesozoic revolution: A role for predators? Geology 29, 359-362.
• Meyers M. A., Yu-Min L. A., Chen P. Y., Muyco J., 2008. Mechanical strength of abalone nacre: Role of the soft organic layer. J. Mech. Behav. Biomed. Mat. 1, 75-85.
• Meyers M. A., Chen P. Y., Lopez M. I., Seki Y., Lin A. Y. M., 2011. Biological materials: A materials science approach. J. Mech. Behav. Biomed. Mat. 4, 626-657.
• Mizerski W., 2005. Gazy, ciecze, ciała stałe. [W:] Tablicze fizyczno-astronomiczne. Mizerski W. (red.). Wydawnictwo Adamantan, Warszawa, 57-103.
• Paula de S. M., Silveira M., 2009. Studies on molluscan shells: Contributions from microscopic and analytical methods. Micron 40, 669-690.
• Piechocki A., 2009. Gromada: Małże - Bivalvia. [W:] Zoologia - Bezkręgowce Tom I. Błaszak C. (red.). Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa, 508-552.
• Pokryszko B., 2009: Podtyp: Muszlowce - Conchifera. [W:] Zoologia - Bezkręgowce Tom I. Błaszak C. (red.). Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa, 425-426.
• Popov S. V., 1986. Composite prismatic structure in bivalve shell. Acta Palaeonthol. Pol. 31, 3-28.
• Rafiński J., 2002. Badanie przebiegu filogenezy. [W:] Zarys mechanizmów ewolucji. Krzanowska H., Łomnicki A. (red.). Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa, 295-334.
• Rim J. E., Zavattieri P., Juster A., Espinosa H. D., 2011. Dimensional analysis and parametric studies for designing artificial nacre. J. Mech. Behav. Biomed. Mat. 4, 190-211.
• Salinas C., Kisailus D., 2013. Fracture Mitigation Strategies in Gastropod Shells. JOM 65, 474-480.
• Scherholz M., Redl E., Wollesen T., Todt C., Wanningere-mail A., 2013. Aplacophoran Mollusks Evolved from Ancestors with Polyplacophoran-like Features. Curr. Biol. 23, 2130-2134.
• Simkiss K., Wilbur K. M., 1989. Biomineralization. Cell Biology and Mineral Deposition. Oxford University Press, New York.
• Taylor J. D., 1973. The structural evolution of the bivalve shell. Palaeonthogy 16, 519-534.
• Taylor J. D., Layman M., 1972. The mechanical properties of Bivalve (Mollusca) shell structure. Palaeonthogy 15, 73-87.
• Taylor J. D., Kennedy W. J., Hall A., 1969. The shell structure and mineralogy of the Bivalvia. Introdution. Nuculacea - Trigoniacea. Bull. Brit. Mus. Zool. 3 Suppl., 1-125.
• Vendrasco M. J., Porter S. M., Kouchinsky A. V., Li G., Fernandez C. Z., 2010. Shell microstructures in early Mollusks. Festivus 92, 43-54.
• Vincent J. F. V., Bogatyreva O. A., Bogatyrev N. R., Bowyer A., Pahl A. K. 2006. Biomimetics - its practice and theory. J. Royal Soc. Interf. 3, 471-482.
• Urbański J., 1989. Gromada: Bivalvia (Lamellibranchiata, Acephala, Pelecypoda) - małże (blaszkoskrzelne). [W:] Zoologia - Bezkręgowce Tom I Część trzecia. Grabda E. (red.). Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa, 805-851.
• Zuschin M., Stanton R. J., 2001. Experimental Measurement of Shell Strength and its Taphonomic Interpretation. Palaios 16, 161-170.