Magnetiske tænder afsløret ved hjælp af kvantebilleder

Biologi giver os en konstant inspirationskilde til at designe og udforske nye funktionelle materialer.

Velcro opstod for eksempel fra, hvordan plantegrater hægter sig fast på tøj, og næsen af ​​kugletog følger designet af en Kingfishers næb. Videnskaben om at tilpasse naturens design til at løse komplekse tekniske udfordringer er kendt som biomimik.

Nu, vores forskerhold fra University of Melbourne, University of Western Australia og University of California, Riverside, er blevet til et almindeligt havbløddyr, chitonen, for ledetråde til, hvordan man konstruerer letvægt, hårde og slidstærke materialer på en ren og energieffektiv måde.

Chiton Acanthopleura hirtosa, fundet i tidevandszonerne på Australiens kystlinje, mineraliserer sine egne tænder ved hjælp af jern udvundet fra havvand for at skabe en magnetit-tandbelægning. Dette stof er det hårdeste kendte biomineral, hårdere end rustfrit stål.

Chitonens magnetiske tænder ligner jernbeklædte skeer samlet i et transportbåndslignende organ, kendt som radula. Nye tænder produceres konstant til at erstatte dem, der er slidt væk, mens de lever af alger, der findes i klipperne, som de græsser på.

Vi håber at lære og tilpasse designprincipperne for minerallag i chitontænderne for at levere lave omkostninger, energieffektive funktionelle materialer, der kan påføres på tværs af industrielle applikationer, herunder overfladebelægninger i byggeri, minedrift og medicinske applikationer, kontrastmidler til medicinsk billeddannelse og vandrensning.

Magnetit produceres i øjeblikket ved hjælp af energikrævende teknikker ved hjælp af høje temperaturer og stærke syre- og basekemikalier. I modsætning, chiton har udviklet og optimeret denne proces til at samle overlegne materialer i havvand ved 15-20 °C, ved at udvinde jern fra deres havvandsomgivelser.

Et af de sværeste aspekter af biomimik er at forstå de grundlæggende byggesten og mineralvækstprocesser, der bruges i naturen.

Ved at anvende nye magnetiske mikroskopiteknikker, banebrydende ved University of Melbourne, vores hold var i stand til at studere, hvordan disse dyr begynder at samle disse unikke materialer på nanoskala.

Billedteknikken bruger et tyndt ark syntetisk diamantkrystal omkring fire millimeter i kvadrat. For at skabe sensorerne fjerner vi to kulstofatomer fra den sædvanlige diamantstruktur, erstatte dem med et nitrogenatom og efterlade et atomrum, eller ledig stilling, hvor det andet carbonatom skal være.

Kombinationen af ​​nitrogenatomet, ledigheden og en ekstra elektron skaber den såkaldte nitrogen-tomgang (NV) defekt, som fungerer som sensor.

Når grønt lys fra et optisk mikroskop skinner på diamantoverfladen, reflekterer NV-defekterne rødt lys, hvis styrke er afhængig af det lokale magnetfelt.

NV-defekterne er utroligt følsomme og kan detektere magnetfelter en million gange svagere end din standard køleskabsmagnet.

Denne følsomhed giver os mulighed for at lokalisere kilden til magnetfeltet fra jernbiomineralerne, og korrelerer dens position i tanden.

Ved hjælp af det magnetiske diamantmikroskop, vi har nu produceret det første magnetiske billede af chitontænder i de tidlige stadier af mineralisering. Det magnetiske felt blev afbildet fra magnetitnanopartikler såvel som dets forløber jernbiomineral, ferrihydrit.

Kortene giver os mulighed for at visualisere det mineraliseringsmønster, som chitonen bruger til at omdanne ferrihydrit til magnetit i de udviklende tænder, med billedopløsning hundrede gange mindre end bredden af ​​et menneskehår.

Det, vi ser, er, at tænderne rekrutterer ferrihydrit fra både den forreste og bageste side af tænderne (fra tandens for- og bagside) for at drive magnetitmineraliseringen.

Mere interessant, når vi ser på magnetfeltet fra magnetitnanopartiklerne, vi finder ud af, at de magnetiske magnetiske domæner er justeret og ordnet over hele tandsektionen.

Dette var et uventet og fascinerende fund, da tidligere forskning ved hjælp af elektronmikroskopi ikke viste nogen krystallografisk orden i disse materialer, vores magnetiske billeder viser dog, at de individuelle magnetitnanopartikler, der opstår i de tidlige stadier af mineralisering, udviser en høj grad af magnetisk orden.

Dette rejser spørgsmålet:Er magnetisme involveret i selvsamlingen af ​​disse ultrahårde materialer?

For at hjælpe med at besvare dette, vores team vil fokusere på at anvende den magnetiske mikroskopi-teknologi til billedsyntetiske analoger i håbet om at forstå, hvordan de magnetiske egenskaber påvirker selvsamlingen af ​​magnetit. Vi håber, at denne nye viden kan føre til produktion af nye bio-inspirerede magnetiske materialer med forbedrede egenskaber.

At lære af naturen er udfordrende, men ny teknologi hjælper med at låse op for dens hemmeligheder. Vores forskning er endnu et eksempel på, hvordan kvanteteknologi kan bruges til at udforske biologiens komplekse verden.