โครงสร้างเปลือกหอย

Mollusc Shell (Mollusc  มีรากศัพท์มาจากคำว่า Mollusca มาจากภาษาละติน (molluscus ) แปลว่า นิ่ม หรือ หมายถึง ลำตัวนิ่ม ซึ่งมักจะมีเปลือก (Shell) เป็นสารจำพวกแคลเซียมคาร์บอเนต คือโครงร่างแข็งภายนอกร่างกายของพวกสัตว์ในไฟลัมมอลลัสคา(Mollusca) เรียกโดยทั่วไปว่า มอลลัสก์ (mollusk) เช่น หอยกาบคู่ (clams) หอยกาบเดี่ยว (snail) หอยงาช้าง (tusk shell) หมึกต่างๆ เช่น หมึกกล้วย (squid) หมึกสายหรือหมึกยักษ์ (octopus) และลิ่นทะเล (chiton) หรือเรียกว่าหอยแปดเกล็ด ซึ่งปัจจุบันพบสัตว์ในไฟลัมนี้มากกว่า 150,000 สปีชีส์ ส่วนใหญ่อาศัยอยู่ในน้ำเค็ม และมีบางส่วนอยู่ในน้ำจืด และบนบก โดยเปลือกแข็งของสัตว์จำพวกนี้ได้ปรับให้เข้ากับสภาพแวดล้อมเพื่อปกป้องร่างกายที่อ่อนนุ่ม

เปลือกหอย

บทความอ่านเพิ่มเติม https://pubs.rsc.org/en/content/articlehtml/2012/ra/c2ra20218b

ประเภท

Mollusc แบ่งเป็น 3 ประเภทใหญ่คือ

1. Gastropods
2. Bivalves
3. Cephalopods

โครงสร้าง

โครงร่างแข็งภายนอกนั้น แบ่งออกเป็น 3 ชั้น

1. เพอเรียสตาคัม (Periustacum) เป็นชั้นนอกสุดประกอบไปด้วยโปรตีนชุบแข็ง(composed of hardened protein) ทำหน้าที่ปกป้องชั้นข้างในและอวัยวะภายใน ซึ่งจะมีความเปราะและแข็งทำให้สามารถต้านทานแรงกระแทกจากภายนอก
2. ออสตาคัม (Ostacum) หรือชั้นปริซิม (Prismatic layer) เป็นชั้นที่เป็นสารประกอบแคลเซียมคาร์บอเนต มีจัดเรียงตัวลักษณะเป็นปริซึมทำให้เป็นชั้นที่มีสีสัน
3. ไฮโพสตาคัม (Hypostacum) หรือเนเคอร์ (Nacre) เป็นชั้นบางๆที่ตั้งตามแนวนอน ประกอบด้วย Aragoniteประมาณ 95 เปอร์เซนต์โดยนำหนัก ซึ่งเป็นรูปแบบผลึกของแคลเซียมคาร์บอเนต(CaCO3) และสารอินทรีย์อีก 5 เปอร์เซนต์โดยนำหนัก ซึ่งเป็นโปรตีนและพอลิแซ็กคาไรด์

เนเคอร์ (Nacre)

เป็นคอมโพสิตระหว่างสารอนินทรีย์และสารอินทรีย์ที่พบในเปลือกของมอลลัสส่วนมาก

 

Nacre microscopic structure

ชั้นเนอเคอร์มี Lamellar structure ในระดับไมโครถึงนาโนแทรกอยู่ระหว่างชั้น เป็นชั้นที่ประกอบไปด้วยสารอินทรีย์ที่มีบทบาทสำคัญในการควบคุมการสร้างและการเติบโตของผลึกในชั้นเนเคอร์  ทำให้เปลือกหอยมี crack deflection และต้านการ slip ช่วยให้เปลือกหอยมี toughness และ impact resistance ดีขึ้น ส่วนใหญ่เปลือกหอยนั้นมีลักษณะเป็น porcellaneous ไม่ใช่ nacreous และมักจะส่งผลให้เปลือกหอยไม่เกิดความแวววาว ไม่เป็นสีรุ้ง หรือที่หายากนั้นคือ iridescence แบบ non-nacreous เช่นโครงสร้างแบบ flame structure ที่พบในหอยสังข์

Nacre ประกอบด้วย hexagonal platelets ที่เป็น aragonite (รูปแบบของ calcium carbonate) กว้าง 10-20 µm และหนา 0.5 µm จัดเรียงในแผ่นขนานต่อเนื่อง รูปร่างของเม็ด hexagonal platelets แตกต่างกันไปขึ้นอยู่กับสายพันธุ์ ชั้น Nacre จะถูกแยกออกโดยแผ่นของเมทริกซ์อินทรีย์ (อินเทอร์เฟซ) ประกอบด้วยไบโอโพลีเมอร์ที่มีความยืดหยุ่น (เช่น chitin, lustrin, silk-like proteins) การผสมของ brittle platelets และ ชั้นบางๆขอ งelastic biopolymers ส่งผลให้วัสดุแข็งแรงและยืดหยุ่นด้วยโมดูลัสของ Young ที่ 70 GPa (เมื่อแห้ง)

ความแข็งแรงและความยืดหยุ่น นั้นเป็นผลเนื่องมาจากการยึดเกาะโดยการจัดเรียงตัวแบบ brickwork ของ platelets ซึ่งยับยั้งการแพร่กระจายของรอยแตกตามขวาง โครงสร้างนี้เพิ่มความแข็งแกร่งอย่างมากทำให้มีความแข็งแรงเกือบเท่ากับซิลิคอน

Mollusc shell-inspiration

super-glass

ความเหนียวของเปลือกหอยซึ่งประกอบด้วย brittle minerals ได้สร้างแรงบันดาลใจในการผลิตแก้วที่แข็งแรงกว่ากระจกบานมาตรฐานถึง 200 เท่า แร่ธาตุถูกรวมเข้าด้วยกันเป็นหน่วยที่มีขนาดใหญ่ขึ้น จาก abundant tiny fault lines จำนวนมากที่เรียกว่าอินเตอร์เฟส ซึ่งเป็นตัวรับแรงดันหรือแรงกดจากภายนอกที่สำคัญ ทีมวิจัยใช้เลเซอร์สามมิติในการแกะสลักด้วยกล้องจุลทรรศน์ด้วยการแยกเป็นแผ่นแก้วแล้วเติมด้วยโพลิเมอร์ พบว่าส่งผลให้แก้วแข็งขึ้น 200 เท่า กระจกสามารถดูดซับแรงกระแทกได้ดีกว่า ให้ผลผลิตและงอเล็กน้อยแทนที่จะแตก ภาชนะที่ทำจากแก้วมาตรฐานจะแตกถ้ามันหล่นลงบนพื้นแต่ภาชนะที่ทำจากแก้วที่ได้รับแรงบันดาลใจจากชีวภาพมีความเป็นไปได้ที่จะทำให้เกิดความเสียหายเล็กน้อยโดยไม่เกิดการแตกร้าวอย่างสมบูรณ์

 

หอยแมลงภู่

เกคเคล (Geckel)

กาวที่ได้ไอเดียมาจากตีนตุ๊กแก-หอยแมลงภู่ เท้าของตุ๊กแกประกอบไปด้วยโครงสร้างที่มีลักษณะคล้ายกับเส้นขนจำนวนมากมายมายมหาศาล เรียกเส้นขนเหล่านั้นว่า พิลลาร์ (Pillar) และแต่ละเส้นขนาดเล็กมีเส้นผ่านศูนย์กลางเพียง 200 นาโนเมตร พิลลาร์จำนวนมากมายนี้ทำให้ประสิทธิภาพการเกาะติดของตุ๊กแกเป็นเลิศ โดยมันจะสร้างแรงดึงดูดระหว่างโมเลกุลของพื้นผิวที่สัมผัสกับพิลลาที่เท้าของมัน เรียกว่า แรงแวนเดอร์วาลล์ (van der Waals) ซึ่งเป็นแรงอย่างอ่อนแต่เกาะติดแน่นเพราะมีจุดสัมผัสของพิลลาอยู่นับล้านๆ จุด ทันทีที่ตุ๊กแกยกเท้าขึ้นแรงยึดติดก็จะหายไป เมื่อวางเท้าลงใหม่ก็เกิดแรงดึงดูดขึ้นอีกครั้ง แต่ความสามารถนี้จะลดลงเมื่อเป็นพื้นผิวเปียกน้ำ จึงได้นำไปผสานกับความสามรถในการยึดเกาะของหอย 2 ฝาเมื่ออยู่ใต้น้ำ พบว่าหอยยึดเกาะได้ดีเพราะมีโปรตีนชนิดหนึ่งที่ทำหน้าที่คล้ายกาว โปรตีนนี้มีกรดอะมิโน 3,4-แอล-ไดไฮดรอกซีฟีนิลอะลานีน หรือดีโอพีเอ (3,4-L-dihydroxyphenylalanine: DOPA)เป็นองค์ประกอบสำคัญ ทีมวิจัยได้ทดลองสร้างวัสดุที่ประกอบด้วยเส้นพิลลาจำนวนมาก เส้นพิลลาทำขึ้นจากซิลิโคน แต่ละเส้นขนาดเส้นผ่านศูนย์กลาง 400 นาโนเมตร สูง 600 นาโนเมตร และเคลือบด้วยแผ่นโพลิเมอร์สังเคราะห์ของดีโอพีเอ ซึ่งทีมวิจัยเรียกวัสดุเลียนแบบเท้าตุ๊กแกและหอยแมลงภู่นี้ว่า “เกคเคล” (Geckel) เมื่อนำเกคเคลไปทดสอบประสิทธิภาพการยึดติดกับวัสดุต่างๆ พบว่าให้ผลดีทั้งพื้นผิวแห้งและเปียก ทั้งเรียบและขรุขระ และยังใช้หมุนเวียนได้ถึง 1,000 ครั้ง แต่เมื่อลอกโพลิเมอร์ดีโอพีเอ ประสิทธิภาพเกคเคลจะด้อยลงทันที แสดงว่าโพลิเมอร์ของกรดอะมิโนดีโอพีเอเป็นส่วนสำคัญที่ทำให้การยึดเกาะติดแน่น การค้นพบครั้งนี้อาจนำไปสู่การพัฒนากาวที่ใช้ในน้ำสำหรับอุดรอยรั่วบนเรือ รวมถึงใช้ยึดติดอุปกรณ์ต่างๆ ใต้น้ำ การก่อสร้างใต้น้ำในอนาคต และวัสดุทางการแพทย์

ขั้นบันไดเวียน

 

บันไดเวียน

 

หอยทาก แรงบันดาลใจโดมกันความร้อน

เปลือกของหอยฝาเดียวเมื่อเจริญข้นมาจะเกิดการขดตัว (Coiling) ของเปลือก ทำให้เกิดลักษณะเป็นเกลียวเหมือนขั้นบันไดเวียน โดยทั่วไปการขดวนจะเป็นการวนตามเข็มนาฬิกา และจะมีช่องเปิดที่วงล่างสุด แต่มีส่วนท่คล้ายกันคือเส้นที่บริเวณฝาปิด บันไดเวียนหรือบันไดวนนั้นได้รับความนิยมเนื่องมาจากความสวยงามและประโยชน์ใช้สอยของมัน บางครั้งในหอคอยที่สูงการสร้างบันไดเป็นเรื่องที่ทำได้ยากเนื่องจากจะมีคสามชันมากเพราะพื้นที่น้อย หากแต่ถ้าสร้างแบบโครงสร้างภายในของหอยที่มีลักษณะเวียนจะทำให้ความชันลดลงและสามารถสร้างได้ในที่ที่มีพื้นที่แคบเช่น ประภาคาร หอคอย แม้แต่สถานีดับเพลิงขาดเล็ก

โดมกันความร้อน

หอยทากเป็นจำนวนมากบนพื้นผิวที่แห้งแล้งและแห้งแล้งในทะเลทรายร้อน ในขณะที่อุณหภูมิอากาศสูงสุดอาจสูงถึง 43 ° C (109 ° F) อุณหภูมิพื้นผิวอาจสูงถึง 65 ° C (149 ° F) และอุณหภูมิพื้นผิวของทะเลทรายเหล่านี้อาจสูงถึง 70 ° C ในช่วงที่อากาศร้อนในแต่ละวันหอยทากจะถอยลงไปในเปลือกด้านบนซึ่งอุณหภูมิจะเย็นกว่า 50 ° C (122 ° F) และนอกจากนี้หอยทากทะเลทรายรอดชีวิตจากอุณหภูมิสูงได้ เพราะพื้นผิวของเปลือกหอยมีการสะท้อนแสงสูงทำให้เกิดการสะท้อน 95% สำหรับความยาวคลื่นแสงใกล้อินฟราเรด และประมาณ 90% สำหรับวิสสิเบิล

อ้างอิง

1. Clala Hechenberger (2014). "Structure machanics and function of themollusc shell"https://www.uibk.ac.at/zoology/marinbio/seminarvortraege/seminar_calvi2014/mollusc-shell.pdf
2. Jiyu Sun and Bharat Bhushan(2012). “Hierarchical structure and mechanical properties of nacre”. วารสารThe Royal Society of Chemistry 2012. ttps://pubs.rsc.org/en/content/articlehtml/2012/ra/c2ra20218b?fbclid=IwAR1YJ0_H7U_SeAO6Uf2Oz5-Z2CeBgOq6mc0bCUiPUzyXnqmBtJ660z2X5v0
3. Mariette Le Roux (28 มกราคม 2014). “Mollusc shells inspire super-glass”. วารสาร Nature Communications. https://m.phys.org/news/2014-01-mollusc-shells-super-glass.html
4. Frederic Marin, Nathalie Le Roy, Benjamin Marie (2012). “The formation and mineralization of mollusk shell”. Frontiers in Bioscience S4, 1099-1125. https://www.academia.edu/12668332/The_formation_and_mineralization_of_mollusk_shell?fbclid=IwAR1KHbE0M9XWkSpmNhdYFktJRomTTBItXON59dCJiMEdgrcBPxk0YzM-5Dk
5. Nacre” (2019). From Wikipedia, the free encyclopedia. https://en.wikipedia.org/wiki/Nacre
6. Nudelman, Fabio; Gotliv, Bat Ami; Addadi, Lia; Weiner, Steve (2006). "Mollusk shell formation: Mapping the distribution of organic matrix components underlying a single aragonitic tablet in nacre". Journal of Structural Biology. 153 (2): 176–87. doi:10.1016/j.jsb.2005.09.009. PMID 16413789.
7. Diederik W.R.Balkenende, Sally M.Winkler, Phillip B.Messersmith(2019). “Marine-inspired polymers in medical adhesion”. European Polymer Journal Volume 116, July 2019, Pages 134-143. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0014305719300588
8. MGR Online (2007). “เกคเคล ยอดกาวไอเดียตีนตุ๊กแก-หอยแมลงภู่ติดแน่น”. https://mgronline.com/science/detail/9500000085174
9. ฐานัส คณะนา. “การออกแบบแจกันจากแรงบันดาลใจหอยทะเล”. วิทยานิพนธ์. http://www.thapra.lib.su.ac.th/objects/thesis/fulltext/thapra/Thanat_Khanana/fulltext.pdf
10. The Biomimicry Institute (2018). “Shell protects from heat”. https://asknature.org/strategy/shell-protects-from-heat/#.XaYpYKd7HUo
11. Lamellar structure” (2013). From Wikipedia, the free encyclopedia. https://en.wikipedia.org/wiki/Lamellar_structure
12. slip” (2019). From Wikipedia, the free encyclopedia. https://en.wikipedia.org/wiki/Slip_(materials_science)
13. toughness” (2019). From Wikipedia, the free encyclopedia. https://en.wikipedia.org/wiki/Toughness
14. flame structure” (2019). From Wikipedia, the free encyclopedia. https://en.wikipedia.org/wiki/Flame_structure
15. brickwork” (2019). From Wikipedia, the free encyclopedia. https://en.wikipedia.org/wiki/Brickwork
16. แรงแวนเดอร์วาลล์” (2019). From Wikipedia, the free encyclopedia. https://en.wikipedia.org/wiki/Van_der_Waals_force

1. อะราโกไนต์(Aragonite) เป็นแร่คาร์บอเนตซึ่งเป็นหนึ่งในสามรูปแบบที่พบมากที่สุดตามธรรมชาติ ของผลึกแคลเซียมคาร์บอเนต (CaCO3) (อีกรูปแบบหนึ่งคือ แคลไซต์และ วาเทอไรท์(vaterite)) มันสามารถเกิดขึ้นโดยกระบวนการทางชีวภาพ และทางกายภาพ รวมถึงการตกตะกอนจากสภาพแวดล้อมทางทะเลและน้ำจืด
2. คอมโพสิต เป็นวัสดุที่ประกอบด้วยการรวมวัสดุมากกว่า 2 ประเภทเข้าด้วยกัน โดยทั่วไปคอมโพสิตจะมีวัสดุที่เป็นเนื้อหลัก (matrix) และวัสดุเสริมแรง (reinforcement materials) ที่กระจายตัวอยู่ในเนื้อหลักนั้น วัสดุที่เป็นเนื้อหลัก จะรองรับวัสดุเสริมแรงให้อยู่ในรูปร่างที่กำหนด ขณะที่วัสดุเสริมแรงจะช่วยเพิ่ม หรือปรับปรุงสมบัติเชิงกลของวัสดุเนื้อหลัก ให้สูงขึ้น