Vzácný minerál objevený poprvé v živém organismu

Část radula z Crytochiton stelleri ukazující její tvrdé a odolné zuby. Zápočet: Northwestern University

Vzácný minerál nacházející se ve skalách v zubech měkkýšů

Northwest University Vědci poprvé objevili vzácný minerál ukrytý v zubech chitonu, velký měkkýš nalezený na skalnatých březích. Před tímto podivným překvapením byl minerál železa zvaný santabarbarait dokumentován pouze ve skalách.

Nové zjištění pomáhá pochopit, jak je celý chitonový zub – nejen ultra tvrdý a odolný hrot – navržen tak, aby vydržel žvýkání kamenů, aby se mohl sám krmit. Na základě minerálů z chitonových zubů vyvinuli vědci biologicky inspirovaný inkoust pro 3D tisk ultra tvrdých, tuhých a odolných materiálů.

„Tento minerál byl v geologických vzorcích pozorován pouze ve velmi nízkých úrovních a nikdy předtím nebyl pozorován v biologickém kontextu,“ uvedl Derk Joester ze společnosti Northwestern, hlavní autor studie. “Má vysoký obsah vody, díky čemuž je silný při nízké hustotě.” Myslíme si, že by to mohlo zuby ztvrdnout, aniž byste přidali velkou váhu. “

Studie se objeví tento týden v Sborník Národní akademie věd.

Chitonové zuby snímající obrázek elektronové mikroskopie

Skenování elektronového mikroskopu chitonových zubů.

Joester je docentem materiálových věd a technologií na McCormick School of Engineering v Northwestern a členem Chemistry of Life Processes Institute. Linus Stegbauer, bývalý postdoktorand v Joesterově laboratoři, je prvním autorem díla. Během výzkumu v Northwestern je nyní Stegbauer hlavním řešitelem v Institutu pro mezifázové procesní inženýrství a plazmovou technologii na univerzitě ve Stuttgartu v Německu.

Hlava s jedním zubem a horní čep

Vykreslení virtuální části jednoho hrotu zubu a horního stylusu generované 3D rekonstrukcí určenou synchrotronovou mikropočítačovou tomografií. Zápočet: Northwestern University

Chitonovy zuby, jeden z nejtvrdších známých materiálů v přírodě, jsou připevněny k měkké, pružné, jazykem podobné raduli, která se škrábe po skalách a shromažďuje řasy a jiné jídlo. Po prostudování dlouhých chitonových zubů se Joester a jeho tým konečně obrátili na Cryptochiton stelleri, obrovský červenohnědý chiton, někdy láskyplně označovaný jako „putující sekaná“.

Při zkoumání zubu Cryptochiton stelleri spolupracoval Joesterův tým s Ercanem Alpem, vedoucím vědeckého týmu Advanced Photon Source v Argonne National Laboratory, na použití synchrotronové Mössbauerovy spektroskopie zařízení a Paula Smeetse k provedení transmisní elektronové mikroskopie na Northwestern University Atomic and Nanoscale Characterization a experiment (NUANCE) Střed. Zjistili, že santabarbarait se šíří po horním hrotu chitonu, což je dlouhá, dutá struktura, která spojuje korunku zubu s pružnou membránou radula.

“Stylus je jako kořen lidského zubu, který spojuje náš hřeben zubu s naší čelistí,” řekl Joester. „Je to tvrdý materiál, který se skládá z extrémně malých nanočástic ve vláknité matrici biomakromolekul, podobných kostem v našem těle.“

Joesterova skupina přijala výzvu znovuvytvořit tento materiál v inkoustu vyvinutém pro 3D tisk. Stegbauer vyvinul reaktivní inkoust vyrobený z iontů železa a fosfátů, které byly smíchány v biopolymeru získaném z chitinu. Ve spolupráci s Shayem Wallaceem, absolventem severozápadního studia v laboratoři Marka Hersama, Stegbauer zjistil, že inkoust se po smíchání těsně před tiskem dobře tiskl.

Ústa a vyčnívající přední konec radule

Ústa a vyčnívající přední konec radule. Zápočet: Northwestern University

“Když se nanočástice vytvoří v biopolymeru, stanou se silnějšími a viskóznějšími.” Tuto směs lze potom bez problémů použít pro tisk. Následné sušení vzduchem vede k tvrdému a tuhému koncovému materiálu, “říká Joester.

„Mechanické struktury jsou jen tak dobré jako jejich nejslabší článek, takže je zajímavé sledovat, jak chiton řeší technický problém spojování svého ultra tvrdého zubu s měkkou podkladovou strukturou.“
Derk Joester, vědec v oblasti materiálů

Joester věří, že se můžeme i nadále učit a vyvíjet materiály inspirované Chiton Pen, které spojují ultra tvrdé zuby s měkkou radula.

“Chiton nás fascinoval po dlouhou dobu,” říká. “Mechanické struktury jsou jen tak dobré jako jejich nejslabší článek, takže je zajímavé sledovat, jak chiton řeší technický problém připojení svého ultra tvrdého zubu k měkké podkladové struktuře.” To v moderní výrobě zůstává významnou výzvou, pojďme se tedy podívat na organismy jako chiton, abychom pochopili, jak se to děje v přírodě, jejíž vývoj trval stovky milionů let. “

3D tisk biologicky inspirovaných kompozitů

3D tisk biologicky inspirovaných kompozitů. Zápočet: Northwestern University

Studie „Perzistentní polyamorfóza v chitonovém zubu: od nového biomateriálu po inkousty pro aditivní výrobu“ byla provedena Národní vědeckou nadací (ceny DMR-1508399 a DMR-1905982), National Institutes of Health (cena NIH-DE026952 ), výzkumná laboratoř Luftwaffe (cena číslo FA8650-15-2-5518) a Německá výzkumná nadace (cena číslo STE2689 / 1-1).

Related articles

Comments

LEAVE A REPLY

Please enter your comment!
Please enter your name here

Share article

Latest articles

Drsná kůra, která se v noci ozývá, vede k objevení nových druhů

V lesích západní a střední Afriky se v noci ozývají hlasitá volání hybridů stromů - malých, býložravých savců, ale jejich zvuk se liší podle...

Nástroj Nový nástroj určený k podpoře vývoje a vývoje automobilových vozidel

Schematický vnitřní provoz elektrod v palivovém článku և kapacita základních parametrů. Půjčka:Heinz a kol., 2021: Široké používání tradičních vozidel na vodíkový pohon nad tradičními...

Identifikace velmi počátečních kroků, které vedou k rozvoji rakoviny

Konfokální mikrofotografie tenkého střeva myši pomocí technologie Red2Onco. S Red2Onco můžete označit onkogenní mutantní klony (červené klony) a běžné nebo divoké klony (žluté...

Neandertálci a raná moderní lidská kultura koexistovali vedle starších tradic již více než 100 000 let

Výzkum Fakulty antropologie a ochrany na University of Kent zjistil, že jedna z prvních kultur kamenných nástrojů známá jako Acheulean trvala pravděpodobně o desítky...

Snadná věda: co jsou sterilní neutrina?

Sterilní neutrina jsou speciální typ neutrin, který byl navržen k vysvětlení některých neočekávaných experimentálních výsledků, ale nakonec nebyl objeven. Vědci je hledají v...

Newsletter

Subscribe to stay updated.