Immagine al microscopio elettronico a scansione dell'estremità anteriore della radula con denti maturi. Credito:Northwestern University
I ricercatori della Northwestern University hanno, per la prima volta, scoperto un minerale raro nascosto nei denti di un chitone, un grande mollusco trovato lungo le coste rocciose. Prima di questa strana sorpresa, il minerale di ferro, chiamato santabarbaraite, era stato documentato solo nelle rocce.
La nuova scoperta aiuta a capire come l'intero dente di chitone, non solo l'ultraduro, cuspide durevole:è progettata per resistere alla masticazione delle rocce per nutrirsi. Basato sui minerali trovati nei denti di chitone, i ricercatori hanno sviluppato un inchiostro bio-ispirato per la stampa 3D ultrahard, materiali rigidi e resistenti.
"Questo minerale è stato osservato solo in campioni geologici in quantità molto piccole e non è mai stato visto prima in un contesto biologico, " ha detto Derk Joester della Northwestern, l'autore senior dello studio. "Ha un alto contenuto di acqua, che lo rende forte con bassa densità. Pensiamo che questo potrebbe indurire i denti senza aggiungere molto peso".
Lo studio sarà pubblicato la settimana del 31 maggio nel Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze .
Joester è professore associato di scienza e ingegneria dei materiali presso la McCormick School of Engineering della Northwestern. Linus Stegbauer, un ex borsista post-dottorato nel laboratorio di Joester, è il primo autore dell'articolo. Alla Northwestern durante la ricerca, Stegbauer è ora ricercatore principale presso l'Istituto di ingegneria dei processi interfacciali e tecnologia al plasma dell'Università di Stoccarda in Germania.
Immagine a mosaico dell'intera radula con i denti che mostrano tutte le fasi di sviluppo. Credito:Northwestern University
Uno dei materiali più duri conosciuti in natura, i denti di chitone sono attaccati a un morbido, flessibile, radula simile a una lingua, che raschia le rocce per raccogliere alghe e altro cibo. Avendo studiato a lungo i denti di chitone, Joester e il suo team di recente si sono rivolti a Cryptochiton stelleri, un gigante, chitone bruno-rossastro che a volte viene affettuosamente chiamato il "polpettone errante".
Per esaminare un dente da Cryptochiton stelleri, Il team di Joester ha collaborato con Ercan Alp, uno scienziato senior presso l'Advanced Photon Source dell'Argonne National Laboratory, di utilizzare la spettroscopia di sincrotrone Mössbauer della struttura e con Paul Smeets di utilizzare la microscopia elettronica a trasmissione presso il Centro NUANCE (Atomic and Nanoscale Characterization and Experiment) della Northwestern University. Trovarono santabarbaraite disperso nello stilo superiore del chitone, lungo, struttura cava che collega la testa del dente alla membrana radula flessibile.
"Lo stilo è come la radice di un dente umano, che collega la cuspide del nostro dente alla nostra mascella, "Ha detto Joester. "È un materiale duro composto da nanoparticelle estremamente piccole in una matrice fibrosa fatta di biomacromolecole, simile alle ossa del nostro corpo."
Il gruppo di Joester si è sfidato a ricreare questo materiale in un inchiostro progettato per la stampa 3D. Stegbauer ha sviluppato un inchiostro reattivo comprendente ioni ferro e fosfato miscelati in un biopolimero derivato dalla chitina. Insieme a Shay Wallace, uno studente laureato della Northwestern nel laboratorio di Mark Hersam, Stegbauer ha scoperto che l'inchiostro stampava bene se miscelato immediatamente prima della stampa.
"Poiché le nanoparticelle si formano nel biopolimero, diventa più forte e più viscoso. Questa miscela può quindi essere facilmente utilizzata per la stampa. La successiva essiccazione all'aria porta al materiale finale duro e rigido, " ha detto Joester. Joester crede che possiamo continuare a imparare e sviluppare materiali ispirati allo stilo del chitone, che collega i denti ultra-duri a una radula morbida.
"Siamo stati affascinati dal chitone per molto tempo, " ha detto. "Le strutture meccaniche sono buone solo quanto il loro anello più debole, quindi è interessante sapere come il chitone risolve il problema ingegneristico di come collegare il suo dente ultraduro a una struttura sottostante morbida. Questa rimane una sfida significativa nella produzione moderna, quindi guardiamo a organismi come il chitone per capire come questo viene fatto in natura, che ha avuto un paio di centinaia di milioni di anni di tempo per svilupparsi."
