Ultrahard chiton-tænderopdagelse giver ledetråde til næste generations avancerede materialer

Tænderne på et bløddyr kan ikke kun fange og tygge mad for at pleje dens krop, men marinehakkerne har også indsigt i at skabe avancerede, billigere og miljøvenlige materialer.

David Kisailus, UC Irvine-professor, og kandidatstuderende Taifeng Wang, både i materialevidenskab og ingeniørvidenskab, tog et nærmere kig på de ultrahårde tænder fra Northern Pacific Cryptochiton stelleri eller gumboot-chiton. Deres resultater er offentliggjort i Small Structures April 2022-udgave.

"Resultaterne i vores arbejde er kritiske, da det ikke kun giver en forståelse af præcisionen af ​​naturlige systemer i mineralisering for at danne højtydende arkitektoniske materialer, men også giver indsigt i bioinspirerede syntetiske veje til en ny generation af avancerede materialer i en bred række anvendelser fra slidbestandige materialer til energilagringssystemer," sagde Kisailus.

Gumboot-kitoner er planteædende hvirvelløse dyr, der bruger deres ultrahårde tænder til at skrabe og slibe algeaflejringer fra kystnære klipper. Kisailus' team har tidligere fundet ud af, at disse tænder er konstrueret af højt justerede magnetiske nanorods, som giver styrke og modstand. For bedre at forstå, hvordan nanorods dannes, brugte Kisailus og kolleger nanostrukturel og kemisk analyse af gumboot-chitonernes tænder i det tidlige stadium af modenhed. Denne undersøgelse afslørede, for første gang i naturlige systemer, at på de tidlige stadier af tandudvikling styrede formonteret organisk fibrøst materiale (kitin) dannelsen af ​​disse stænger via et højt ordnet, mesokrystallinsk jernoxid kendt som ferrihydrit.

Yderligere undersøgelse af de mesokrystallinske strukturer afslørede en sfærulitisk-lignende arkitektur, der ofte findes i semi-krystallinske polymere materialer. Forskerne fastslog, at hver af disse partikler havde en underliggende organisk ramme (dvs. phosphorylerede proteiner koblet med det præ-samlede kitin), der kontrollerede dannelsen og væksten af ​​disse jernoxidpartikler.

Yderligere analyse viste, at ferrihydritten, en relativt ustabil fase af jernoxid, til sidst transformeredes til mesokrystallinsk magnetit (et mere stabilt og magnetisk materiale) via en forskydningsinduceret fasetransformation. Det voksede derefter til at danne den endelige form af kontinuerlige ultrahårde magnetit nanorods i de fuldt modne tænder via Ostwald-modning, en proces, hvorved mindre partikler opløses og genaflejres for at danne større partikler.

Da disse ultrahårde materialer syntetiseres ved nær stuetemperatur og under milde fysiologiske forhold, kan forståelsen af, hvordan de dannes, give en lavpris og miljøvenlig fremstilling af tekniske materialer med overlegne egenskaber. + Udforsk yderligere

Magnetiske tænder lover materialer og energi