La biologia ci fornisce una costante fonte di ispirazione per progettare ed esplorare nuovi materiali funzionali.

Il velcro, ad esempio, nasce dal modo in cui le sbavature delle piante si agganciano ai vestiti, e il naso dei treni ad alta velocità segue il design del becco di un martin pescatore. La scienza dell'adattamento dei progetti della natura per risolvere complesse sfide ingegneristiche è nota come biomimetica.

Ora, il nostro team di ricerca dell'Università di Melbourne, l'Università dell'Australia occidentale e l'Università della California, lungo il fiume, si sono rivolti a un comune mollusco marino, il chitone, per indizi su come progettare pesi leggeri, materiali duri e resistenti all'abrasione in modo pulito ed efficiente dal punto di vista energetico.

Il chitone Acanthopleura hirtosa, trovato nelle zone intertidali della costa australiana, mineralizza i propri denti utilizzando il ferro estratto dall'acqua di mare per creare un rivestimento dentale di magnetite. Questa sostanza è il biominerale più duro conosciuto, più resistente dell'acciaio inossidabile.

I denti magnetici del chitone assomigliano a cucchiai rivestiti di ferro assemblati in un organo simile a un nastro trasportatore, noto come radula. Nuovi denti vengono costantemente prodotti per sostituire quelli consumati mentre si nutrono di alghe che si trovano all'interno delle rocce su cui pascolano.

Ci auguriamo di apprendere e adattare i principi di progettazione della stratificazione minerale nei denti di chitone per fornire a basso costo, materiali funzionali ad alta efficienza energetica che possono essere applicati in tutte le applicazioni industriali, compresi i rivestimenti superficiali in edilizia, applicazioni minerarie e mediche, agenti di contrasto per l'imaging medico e la purificazione dell'acqua.

La magnetite è attualmente prodotta utilizzando tecniche ad alta intensità energetica utilizzando alte temperature e sostanze chimiche acide e basiche forti. In contrasto, chiton ha evoluto e ottimizzato questo processo per assemblare materiali di qualità superiore in acqua di mare a 15-20 °C, estraendo il ferro dall'ambiente circostante l'acqua di mare.

Uno degli aspetti più difficili della biomimetica è comprendere i mattoni fondamentali e i processi di crescita dei minerali utilizzati in natura.

Applicando nuove tecniche di microscopia magnetica, pioniere presso l'Università di Melbourne, il nostro team è stato in grado di studiare come questi animali iniziano ad assemblare questi materiali unici su scala nanometrica.

La tecnica di imaging utilizza un sottile foglio di cristallo di diamante sintetico di circa quattro millimetri quadrati. Per creare i sensori rimuoviamo due atomi di carbonio dalla solita struttura a diamante, sostituendoli con un atomo di azoto e lasciando uno spazio atomico, o posto vacante, dove dovrebbe essere l'altro atomo di carbonio.

La combinazione dell'atomo di azoto, la vacanza e un elettrone aggiuntivo creano il cosiddetto difetto di vacanza di azoto (VN), che funge da sensore.

Quando la luce verde di un microscopio ottico viene proiettata sulla superficie del diamante, i difetti NV riflettono la luce rossa, la cui intensità dipende dal campo magnetico locale.

I difetti NV sono incredibilmente sensibili e possono rilevare campi magnetici un milione di volte più deboli del normale magnete del frigorifero.

Questa sensibilità ci permette di individuare la fonte del campo magnetico dai biominerali di ferro, e correlare la sua posizione all'interno del dente.

Utilizzando il microscopio magnetico diamantato, ora abbiamo prodotto la prima immagine magnetica dei denti di chitone nelle prime fasi della mineralizzazione. Il campo magnetico è stato ripreso da nanoparticelle di magnetite e dal suo biominerale di ferro precursore, ferriidrite.

Le mappe ci consentono di visualizzare il modello di mineralizzazione utilizzato dal chitone per convertire la ferriidrite in magnetite nei denti in via di sviluppo, con una risoluzione dell'immagine cento volte inferiore alla larghezza di un capello umano.

Quello che vediamo è che i denti reclutano la ferriidrite da entrambi i lati anteriore e posteriore dei denti (dalle superfici anteriore e posteriore del dente) per guidare la mineralizzazione della magnetite.

Più interessante, quando osserviamo il campo magnetico delle nanoparticelle di magnetite, troviamo che i domini magnetici della magnetite sono allineati e ordinati lungo l'intera sezione del dente.

Questa è stata una scoperta inaspettata e affascinante poiché ricerche precedenti utilizzando la microscopia elettronica sembravano non mostrare alcun ordinamento cristallografico in questi materiali, tuttavia le nostre immagini magnetiche mostrano che le singole nanoparticelle di magnetite che emergono nelle prime fasi della mineralizzazione mostrano un alto grado di ordine magnetico.

Ciò solleva la domanda:il magnetismo è coinvolto nell'autoassemblaggio di questi materiali ultra-duri?

Per aiutare a rispondere a questo, il nostro team si concentrerà sull'applicazione della tecnologia della microscopia magnetica all'immagine di analoghi sintetici nella speranza di capire come le proprietà magnetiche influiscano sull'autoassemblaggio della magnetite. Ci auguriamo che questa nuova conoscenza possa portare alla produzione di nuovi materiali magnetici di ispirazione biologica con proprietà migliorate.

Imparare dalla natura è impegnativo, ma la nuova tecnologia sta aiutando a svelarne i segreti. La nostra ricerca è un altro esempio di come la tecnologia quantistica può essere utilizzata per esplorare il complesso mondo della biologia.