核桃和开心果,哪个更难敲开?

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科研工作者或许比较容易在吃东西时迸发灵感,比如上次笔者为大家介绍的研究皮皮虾尾刺和寄居蟹螯壳结构的文章说不定就是夏日宵夜的副产物。


除了海鲜,还有一类美食——坚果——也是身披硬甲。松子、开心果、核桃……这些坚果口味独特、营养丰富,备受男女老幼欢迎。但它们非得要长出坚固的外壳来为难大家,每次吃都要使出铁锤、钢钳或者各种形状奇怪的独门兵器,大动干戈一番之后,还总是会留下几个浑身光溜没有一丝缝隙可以下手的家伙,堪称坚果中的“死硬果”。

核桃和开心果,哪个更难敲开?  第1张

铁锤敲核桃。图片来源于网络


如果拿锤子敲过核桃和开心果,应该会有这样的印象——相比于核桃,“死硬果”的情况在开心果中更为常见。这其中有什么科学道理吗?开心果并不算厚实的外壳为什么如此难搞?奥地利维也纳自然资源与生命科学大学的研究人员们决心弄清楚这些问题,他们深入研究了核桃和开心果的果壳,揭开了坚果壳坚硬且富有韧性的秘密。研究结果发表在英国皇家学会旗下期刊Royal Society Open Science 上。

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核桃壳和开心果壳及其微观结构单元。图片来源:Sebastian J. Antreich


从细胞水平观测果壳


不同于大多数动物硬壳采用矿物质与有机分子(蛋白质)结合在一起的方法(如之前提到的皮皮虾与寄居蟹),植物的保护壳组织由死亡的厚壁组织细胞组成,这些细胞通常具有基于多糖(纤维素和半纤维素)和木质素的厚次生细胞壁(CW)。

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核桃壳和开心果壳的结构表征。图片来源:Royal Soc. Open Sci.


通过电子显微镜和X射线断层扫描等技术观测,研究者发现核桃壳和开心果壳的基础结构单元同样由多裂(polylobate shape)的厚壁组织细胞组成。这些木质化的细胞的凸起与凹坑如三维版本的拼图一般在空间内互锁,并显示出很高的组织强度。拉伸强度测试表明,开心果壳的强度要比核桃壳高的多,原因可能在于开心果壳细胞凸起的裂片数量多出核桃壳细胞三倍,这使它们相互锁定的表面积增加了30%。

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从以上动图中我们可以清楚地观察到开心果壳中三维拼图形状的细胞的互锁结构。与核桃壳中的细胞一样,开心果壳中的互锁细胞平均与14个相邻的细胞相连。如此大的表面积有利于细胞间的连接和粘合,增加了层间界面处的物理粘附,有利于应力的传递,从而提高最终机械性能。

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核桃壳和开心果壳的机械性能表征。图片来源:Royal Soc. Open Sci.


核桃壳的微机械拉伸试验显示了典型脆性材料的典型应力-应变曲线,而开心果壳的应变则高达8%。这使得开心果成为几何细胞互锁的“大师”,它的果壳要更加坚韧。


似曾相识的微观连接


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开心果壳和核桃壳的微观连接结构。图片来源:Royal Soc. Open Sci.


高度木质化的核桃壳(木质素占约32%)致密部分碎片显示部分完整的厚壁细胞、分层界面和凹坑,一些破裂的细胞壁暴露出类似乐高积木般的层状与凸起结构。这些结构均是在受力时易产生开裂的薄弱点。而开心果壳中木质素占约17%,从而产生较弱的界面,但提高了整体的韧性,有利于能量吸收。更重要的是,开心果壳中具有更多类似人体髋关节的球窝状连接,这是一种更强的拓扑互锁,优化了细胞间的连接,这也是开心果壳具有更优机械性能的原因。


纳米尺度上的布林根结构(Bouligand structure)


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开心果壳(蓝)和核桃壳(红)的纳米结构。图片来源:Royal Soc. Open Sci.


又是布林根结构,从皮皮虾到开心果,似乎这就是大自然的增韧密码。


通过观测开心果壳(蓝色)和核桃壳(红色)细胞壁的纳米结构,可以发现两者均具由周期性交替分层的纤维素薄片组成,而每一片又由若干平均直径25 nm的纤维素大原纤维层组成,这些纤维层彼此平行并逐步旋转,相互交织形成螺旋状布林根结构。但不同的是,开心果壳的薄片(138.9±8.2 nm)比核桃(228.2±24.2 nm)更薄,而且开心果的薄片平均由6层纤维组成,核桃则有10层,每层纤维的旋转的角度也比核桃壳更大。这些基础结构的不同使得开心果壳具有更大的断裂韧性,因而在纳米级的杨氏模量上要高于核桃壳。


到这里,研究者已经基本找到了开心果壳难以敲开的原因:壳中三维拼图形状细胞的互锁结构,类似人类髋关节的球窝状连接,以及细胞壁的纳米结构。这些因素组合起来既能保证开心果壳的强度,也可以通过弯曲或拉伸而不是断裂的形式来吸收冲击的能量,提高韧性。深入了解大自然的秘密,无疑能够更好地指导先进仿生材料的研发。开心果壳,有朝一日可能会指导我们制造性能更加优越的安全头盔、汽车保险杠等产品。


最后,分享一下对付“死硬”开心果的经验:

锤子搞不定,还容易敲到手指;(不要问我怎么知道的……核桃和开心果,哪个更难敲开?  第8张

最好用的是钢制坚果夹,尺寸能卡住开心果的那种;

如果万不得已要上牙齿,请用槽牙,并且对准开心果壳上的薄弱点——中间接缝。


Royal Soc. Open Sci., 2021, DOI: 10.1098/rsos.210399

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