Forskere og ingeniører er ivrige etter å forstå hemmeligheten bak bone's lette seighet, så de kan etterligne det i utformingen av nye materialer, men tidligere undersøkelser har avdekket en rekke forskjellige styrke mekanismer i ulike skaleringer av fokus, i stedet for en enkelt teori.
Ny forskning fra MIT vises i en fersk utgave av nanoteknologi avslører for første gang i rollen som Bens atomistic strukturen i en toughening mekanisme som inkorporerer flere tidligere foreslåtte teorier. Denne mekanismen gir ofre for en liten del av benet for å kunne lagre hele, bidrar til å forklare hvorfor bein tåler lite sprekker og synes å være tilpasset spesielt for å imøtekomme bone's behovet for kontinuerlig å gjenoppbygge fra innsiden ut.
"Den nylig oppdagede molekylær mekanismen samkjører kontroversielle forsøk på å forklare kilder til seighet av bein, fordi den bekrefter at to av de tidligere forklaringene spille viktige roller på atomistic skala," sa avhandlingens forfatter, Esther og Harold E. Edgerton Professor Markus Buehler MIT'S Department of Civil og miljømessige Engineering. "Det er helt mulig at hver omfanget av bein – fra den molekylær opp. — har sin egen toughening mekanisme. Denne hierarkisk fordelingen kan være avgjørende for å forklare intrigering egenskapene til bein. Denne kunnskapen kan legge grunnlaget for nye materialer design."
I motsetning til syntetiske bygningsmaterialer, som har en tendens til å være homogene hele, er bein heterogene levende vev som har celler gjennomgå konstant forandring. Forskere har klassifisert bone's grunnleggende strukturen i et hierarki med sju nivåer av økende skala.
Buehler skalert ned sin modell for atomistic nivået, for å se hvordan molekylene passer sammen – og det er like viktig for materialer forskere og ingeniører — hvordan og når de bryte fra hverandre. Mer presist, for å finne mekanismen bak bone's styrke, som er betydelig for slik en lett, porøs materiale, han så på hvordan kjemiske obligasjoner innenfor og mellom molekyler svare til å tvinge.
Han fant at mineraliserte kollagen-fibrils i nivå 2-bein består av strenger av vekslende kollagen molekyler og konsekvent størrelse hydroxyapatite krystaller. Disse strengene er "stablet" sammen i en titteleffektene slik at krystallene vises i trappetrinn konfigurasjoner. Svak obligasjoner skjemaet mellom krystallene og molekyler både i strenger og mellom strengene.
Når trykket er på stoff-lignende fibrils, noen av de svake bånd mellom kollagen molekyler og krystaller bryte, opprette små gliper eller strukket områder i fibrils. Dette strekker sprer trykket over et bredere område og beskytter andre, sterkere obligasjoner innen kollagen molekyl selv, som kan bryte outright hvis alle press var fokusert på dem. Strekker seg, kan også bittesmå krystaller SKIFT posisjon som svar på styrke, i stedet for knuse, som vil være sannsynlig responsen til en større krystall.