Sjældent jernmineral fra sten fundet i bløddyrstænder

Northwestern University forskere har, for første gang, opdagede et sjældent mineral gemt inde i tænderne på en chiton, en stor bløddyr fundet langs stenede kyster. Før denne mærkelige overraskelse, jernmineralet, kaldet santabarbaraite, kun var blevet dokumenteret i sten.

Det nye fund hjælper med at forstå, hvordan hele chitontanden - ikke kun den ultrahårde, holdbar cusp - er designet til at tåle at tygge på sten til fodring. Baseret på mineraler fundet i chiton tænder, forskerne udviklede en bioinspireret blæk til 3D-print ultrahård, stive og holdbare materialer.

"Dette mineral er kun blevet observeret i geologiske prøver i meget små mængder og er aldrig før set i en biologisk kontekst, "sagde Northwestern's Derk Joester, undersøgelsens seniorforfatter. "Det har et højt vandindhold, hvilket gør den stærk med lav densitet. Vi tror, ​​at dette kan stramme tænderne uden at tilføre meget vægt. "

Undersøgelsen vil blive offentliggjort ugen den 31. maj i Procedurer fra National Academy of Sciences .

Joester er lektor i materialevidenskab og teknik i Northwestern's McCormick School of Engineering. Linus Stegbauer, en tidligere postdoktor i Joesters laboratorium, er papirets første forfatter. På Nordvestvest under forskningen, Stegbauer er nu hovedforsker ved Institute of Interfacial Process Engineering and Plasma Technology ved University of Stuttgart i Tyskland.

Et af de hårdest kendte materialer i naturen, chiton tænder er fastgjort til en blød, fleksibel, tunge-lignende radula, som skraber over sten for at indsamle alger og anden mad. Efter længe at have studeret chiton tænder, Joester og hans team henvendte sig senest til Cryptochiton stelleri, en kæmpe, rødbrun chiton, der undertiden kærligt kaldes "det vandrende kødbrød".

For at undersøge en tand fra Cryptochiton stelleri, Joesters team samarbejdede med Ercan Alp, en seniorforsker ved Argonne National Laboratory's Advanced Photon Source, at bruge facilitetens synkrotron Mössbauer -spektroskopi samt med Paul Smeets til at bruge transmissionselektronmikroskopi ved Northwestern University Atomic and Nanoscale Characterization and Experiment (NUANCE) Center. De fandt santabarbaraite spredt i hele chitons øvre stylus, hen ad, hul struktur, der forbinder tandhovedet med den fleksible radula -membran.

"Pennen er som roden af ​​en menneskelig tand, som forbinder tandens tand med vores kæbe, "Sagde Joester." Det er et hårdt materiale sammensat af ekstremt små nanopartikler i en fibrøs matrix lavet af biomakromolekyler, ligner knogler i vores krop. "

Joesters gruppe udfordrede sig selv til at genskabe dette materiale i et blæk designet til 3D -print. Stegbauer udviklede et reaktivt blæk omfattende jern- og phosphationer blandet i en biopolymer afledt af kitinet. Sammen med Shay Wallace, en nordvestlig kandidatstuderende i Mark Hersams laboratorium, Stegbauer fandt ud af, at blækket blev trykt godt, når det blev blandet umiddelbart før udskrivning.

"Når nanopartikler dannes i biopolymeren, det bliver stærkere og mere tyktflydende. Denne blanding kan derefter let bruges til udskrivning. Efterfølgende tørring i luft fører til det hårde og stive slutmateriale, "Sagde Joester. Joester mener, at vi kan blive ved med at lære af og udvikle materialer inspireret af chitons stylus, som forbinder ultrahårde tænder til en blød radula.

"Vi har været fascineret af chitonen i lang tid, "sagde han." Mekaniske strukturer er kun så gode som deres svageste led, så det er interessant at lære, hvordan chitonen løser det tekniske problem med, hvordan man forbinder sin ultrahårde tand til en blød underliggende struktur. Dette er fortsat en betydelig udfordring i moderne fremstilling, så vi ser til organismer som chitonen for at forstå, hvordan dette gøres i naturen, som har haft et par hundrede millioner års ledetid til at udvikle sig. "