At knække en tand:3D-kort over atomer kaster lys over nanoskala-grænseflader i tænder, kan hjælpe med materialedesign

Tænder og knogler er vigtige og komplekse strukturer hos mennesker og andre dyr, men man ved faktisk kun lidt om deres kemiske struktur på atomær skala. Hvad der præcist giver dem deres berømte sejhed, hårdhed og styrke? Hvordan styrer organismer syntesen af ​​disse avancerede funktionelle kompositter?

Nu, ved hjælp af et meget sofistikeret atom-skala billedværktøj på et havdyrs tand, to forskere fra Northwestern University har skrællet noget af mysteriet med organiske/uorganiske grænseflader væk, som er kernen i tand- og knoglestrukturen. De er de første til at producere et tredimensionelt kort over placeringen og identiteten af ​​millioner af individuelle atomer i det komplekse hybridmateriale, der tillader dyret bogstaveligt talt at tygge sten.

At demonstrere, at atom-probe tomografi (APT) kan bruges til at afhøre sådanne materialer, åbner muligheden for at spore fluor i tænder og kræft- og osteoporoselægemidler i knogler (på tidligere utilgængelige længdeskalaer). Den detaljerede viden om organiske/uorganiske grænseflader vil også hjælpe videnskabsmænd med rationelt at designe nyttige nye materialer - fleksibel elektronik, polymerer og nanokompositmaterialer, såsom organiske solceller - der kombinerer de bedste egenskaber ved organiske og uorganiske materialer.

Resultaterne vil blive offentliggjort 13. januar af tidsskriftet Natur .

"Grænsefladen mellem de organiske og uorganiske materialer spiller en stor rolle i at kontrollere egenskaber og struktur, " sagde Derk Joester, seniorforfatter af papiret. "Hvordan laver og kontrollerer organismer disse materialer? Vi er nødt til at forstå denne arkitektur på nanoskalaniveau for at designe nye materialer intelligent. Ellers aner vi virkelig ikke, hvad der foregår."

Joester er Morris E. Fine juniorprofessor i materialer og fremstilling ved McCormick School of Engineering and Applied Science. Lyle Gordon, en ph.d.-studerende i Joesters laboratorium, er avisens anden forfatter.

De to satte sig for at finde de organiske fibre, som de vidste var en vigtig del af tandens struktur, begravet i det hårde ydre lag af tanden, lavet af magnetit. Deres kvantitative kortlægning af tanden viser, at de kulstofbaserede fibre, hver 5 til 10 nanometer i diameter, indeholdt også enten natrium- eller magnesiumioner. Joester og Gordon er de første, der har direkte bevis for placeringen, dimension og kemisk sammensætning af organiske fibre inde i mineralet.

De blev overrasket over fibrenes kemiske heterogenitet, som antyder, hvordan organismer modulerer kemi på nanoskala. Joester og Gordon er ivrige efter at lære mere om, hvordan de organiske fibre interagerer med de uorganiske mineraler, som er nøglen til at forstå hybridmaterialer.

"Tandens sejhed kommer fra denne blanding af organiske og uorganiske materialer og grænsefladerne mellem dem, " sagde Joester. "Selvom dette i princippet er velkendt, det er spændende at tænke på, at vi måske har overset, hvordan subtile ændringer i den kemiske sammensætning af nanoskala-grænseflader kan spille en rolle i, for eksempel, knogledannelse eller diffusion af fluor i tandemaljen. I denne forbindelse atom-sonde tomografi har potentialet til at revolutionere vores forståelse."

Atom-probe tomografi (APT) producerer et atom-for-atom, 3-D rekonstruktion af en prøve med sub-nanometer opløsning. Men mange i feltet troede ikke, at APT ville arbejde på at analysere et materiale, der består af organiske og uorganiske dele.

Heldigvis for Joester og Gordon, Northwestern har både David Seidman, en leder på området, der bruger APT til at studere metaller, og to af de få APT-instrumenter i landet. (Der er mindre end et dusin.) Seidman, Walter P. Murphy professor i materialevidenskab og teknik, opfordrede Joester til at tage risikoen og bruge APT til at studere biologiske arkitekturer. Forskerne var også i stand til at udveksle ideer med ingeniørerne, der udviklede 3-D atom-probe instrumenter på CAMECA, et videnskabeligt instrumenteringsfirma i det nærliggende Madison, Wis.

Joester og Gordon afbildede tænder af chitonen, et lille havbløddyr, fordi man ved meget om biomineraliseringsprocessen. Chitonen lever i havet og lever af alger fundet på sten. Den laver hele tiden nye rækker af tænder - en om dagen - for at erstatte modne, men slidte tænder; på transportbåndsmåde, de ældre tænder bevæger sig ned ad skabningens tungelignende radula mod munden, hvor den spiser.

Chiton-tænder ligner mennesketænder ved, at de har et hårdt og sejt ydre lag - svarende til vores emalje - og en blødere kerne. I stedet for emalje, de stentyggende chitoner bruger magnetit, et meget hårdt jernoxid, hvilket giver deres tænder en sort glans.

Forskerne udtog prøver i mikronstørrelse fra tandens forkant. Ved at bruge et fokuseret ionstråleværktøj på Northwestern University Atomic and Nanoscale Characterization Experimental Center kernefacilitet, disse prøver blev formet til meget skarpe spidser (mindre end 20 nanometer på tværs). Processen minder om at spidse en blyant, dog med en superladet strøm af galliumioner.

APT-teknikken anvender et ekstremt højt elektrisk felt til prøven; atomer på overfladen ioniserer, flyve afsted og ramte en billeddetektor (svarende til dem, der findes i nattesynsudstyr). Atomerne fjernes atom-for-atom og lag-for-lag, som at skrælle et løg. Computermetoder bruges derefter til at beregne den oprindelige placering af atomerne, producere et 3-D kort eller tomogram af millioner af atomer i prøven.

Joester og Gordon studerer nu tandemaljen på et hvirveldyr og planlægger at anvende APT på knogler, som også er lavet af organiske og uorganiske dele, for at lære mere om dens nanoskalastruktur.