Forskere opdager, hvad der gør dybhavsfisketænder gennemsigtige

Et team af forskere under ledelse af University of California San Diego har opdaget, hvad der er ansvarligt for at gøre tænderne på dybhavsfisken gennemsigtige. Denne unikke tilpasning, som hjælper med at camouflere dragefiskene fra deres bytte, skyldes, at deres tænder har en usædvanligt krystallinsk nanostruktur blandet med amorfe områder. Resultaterne kan give "bioinspiration" til forskere, der ønsker at udvikle gennemsigtig keramik.

Forskere beskriver deres resultater i et papir, der blev offentliggjort 5. juni i tidsskriftet Stof .

Dybhavsdyr har udviklet nogle fascinerende tilpasninger såsom bioluminescens, øjne, der kan se i svagt lys, og munde, der kan opsluge meget større bytte. Nogle arter, såsom havfiskens dragefisk ( Aristostomias scintillans ), har gennemsigtige tænder.

"Det er en tilpasning, der så vidt vi ved, endnu ikke er undersøgt i detaljer, "sagde Audrey Velasco-Hogan, en materialevidenskab ph.d. studerende ved UC San Diego Jacobs School of Engineering og første forfatter af undersøgelsen. "Ved at studere, hvorfor disse tænder er gennemsigtige, vi kan bedre forstå dybhavsorganismer som dragefiskene og de tilpasninger, de udviklede til at leve i deres miljøer. "

Gennemsigtige tænder, sammen med en mørk krop, gøre dragefiskene i det væsentlige usynlige for deres bytte, forklarede Velasco-Hogan. På grund af denne camouflage, dragefisk er blandt de bedste rovdyr i dybhavet på trods af at de er små (måler cirka 15 centimeter lange) og relativt langsomme.

"De bruger det meste af deres tid på at sidde med åbne kæber, venter på, at der kommer noget. Deres tænder er altid udsatte, så det er vigtigt, at de er gennemsigtige, så de ikke reflekterer eller spreder noget bioluminescerende lys fra miljøet, "Sagde Velasco-Hogan.

For at løse mysterierne om dragefiskens tandklædning, forskere afbildede og analyserede nanostrukturen i tænderne ved hjælp af en kombination af elektronmikroskopi, fokuserede ionstråle- og nanoindentationstest. De opdagede, at tænderne har unikke egenskaber både i deres ydre emaljelignende lag og det indre dentinlag.

Det emaljelignende lag består af hydroxyapatit-nanokrystaller struktureret på en måde, der forhindrer lys i at spredes eller reflekteres fra tændernes overflade. Dentinlaget er også struktureret på sin egen særlige måde. Det mangler mikroskopiske kanaler kaldet dentintubuli, som er det, der giver tænderne på mennesker og andre dyr deres farve. Fraværet af tubuli er også ansvarlig for at gøre dragefisk tænder gennemsigtige.

"Typisk, tænder er ikke nanostrukturerede. Og de har en tendens til at have mikroskala funktioner såsom dentintubuli. Set fra et materialeperspektiv, det er virkelig interessant at se, at dragefisk tænder har arkitekturer, som vi ikke ser hos andre, "Sagde Velasco-Hogan.

"Jeg synes også, det er fascinerende, hvordan der er grundlæggende ligheder mellem materialer i laboratoriet og i naturen, "tilføjede hun." Eksperimentelt, vi ved, at måden at gøre et materiale gennemsigtigt på er ved at reducere dets kornstørrelse for at gøre det nanostruktureret. Så at se, at det også er sådan, naturen opnår gennemsigtighed, er en interessant parallel. "

Tværfagligt teamwork

Velasco-Hogan var en del af et tværfagligt team af forskere, der var de første til at studere dragefiskens tænder i detaljer. Velasco-Hogan afbildede tænderne, karakteriserede deres gennemsigtighed og studerede deres mekaniske egenskaber. Hun arbejdede under ledelse af Marc Meyers, en professor i afdelingerne for NanoEngineering og Mekanisk og Aerospace Engineering ved UC San Diego.

"Min gruppe leder altid efter nye materialer i naturen for at studere, "sagde Meyers, hvis forskning fokuserer på biomimik. "Og tværfaglige samarbejder er en vigtig del af vores arbejde. Når vi bringer forskere fra forskellige baggrunde sammen, vi kan fremme viden inden for vores områder på måder, som et enkelt laboratorium ikke kunne klare alene. "

De samarbejdede med Dimitri Deheyn, en havbiolog ved Scripps Institution of Oceanography ved UC San Diego, der forsker i bioluminescens og biomimik. Deheyn foreslog ideen til undersøgelsen, samlet prøverne, gennemført billedeksperimenteringsforsøg og karakteriseret gennemsigtigheden af ​​tænderne.

"At drage fordel af de ultimative tilpasningsorganismer, der viser sig til bestemte miljøer, har altid været en drivkraft for teknologisk innovation, og dragefisken er ingen undtagelse herfra, "sagde Deheyn." Der er tydeligvis stadig bred inspiration at hente fra dragefiskene og naturen generelt, og dette afsnit mellem biologi og teknik gennem biomimik er klart en lukrativ vej til bæredygtige innovationer. "

Teamet involverede også laboratoriet af Eduard Arzt, Direktør for Leibniz Institute for New Materials (INM) i Saarbrücken, Tyskland. Marcus Koch, der er Head of Physical Analytics hos INM, analyserede tændernes nanostruktur med et specialiseret elektronmikroskop. Birgit Nothdurft, en tekniker i Division of Physical Analytics på INM, udført en højt specialiseret forberedelse af prøverne.