I denti e le ossa sono strutture importanti e complesse nell'uomo e in altri animali, ma in realtà si sa poco della loro struttura chimica su scala atomica. Ciò che dà loro esattamente la loro rinomata robustezza, durezza e forza? In che modo gli organismi controllano la sintesi di questi compositi funzionali avanzati?

Ora, utilizzando uno strumento di imaging su scala atomica altamente sofisticato sul dente di una creatura marina, due ricercatori della Northwestern University hanno svelato parte del mistero delle interfacce organico/inorganico che sono al centro della struttura del dente e dell'osso. Sono i primi a produrre una mappa tridimensionale della posizione e dell'identità di milioni di singoli atomi nel complesso materiale ibrido che consente all'animale di masticare letteralmente la roccia.

Dimostrare che la tomografia a sonda atomica (APT) può essere utilizzata per interrogare tali materiali apre la possibilità di tracciare il fluoro nei denti e i farmaci per il cancro e l'osteoporosi nelle ossa (a scale di lunghezza precedentemente inaccessibili). La conoscenza dettagliata delle interfacce organiche/inorganiche aiuterà anche gli scienziati a progettare razionalmente nuovi materiali utili:elettronica flessibile, polimeri e materiali nanocompositi, come il fotovoltaico organico, che combina le migliori proprietà dei materiali organici e inorganici.

I risultati saranno pubblicati il ​​13 gennaio dalla rivista Natura .

"L'interfaccia tra i materiali organici e inorganici svolge un ruolo importante nel controllo delle proprietà e della struttura, " ha detto Derk Joester, autore senior del documento. "Come fanno gli organismi a produrre e controllare questi materiali? Dobbiamo comprendere questa architettura a livello di nanoscala per progettare nuovi materiali in modo intelligente. Altrimenti non abbiamo davvero idea di cosa stia succedendo".

Joester è Morris E. Fine Junior Professor in Materiali e Produzione presso la McCormick School of Engineering and Applied Science. Lyle Gordon, uno studente di dottorato nel laboratorio di Joester, è l'altro autore dell'articolo.

I due hanno deciso di trovare le fibre organiche che sapevano essere una parte importante della struttura del dente, sepolto nel duro strato esterno del dente, fatto di magnetite. La loro mappatura quantitativa del dente mostra che le fibre a base di carbonio, ciascuno da 5 a 10 nanometri di diametro, conteneva anche ioni sodio o magnesio. Joester e Gordon sono i primi ad avere una prova diretta del luogo, dimensione e composizione chimica delle fibre organiche all'interno del minerale.

Sono rimasti sorpresi dall'eterogeneità chimica delle fibre, che suggerisce come gli organismi modulano la chimica su scala nanometrica. Joester e Gordon sono ansiosi di saperne di più su come le fibre organiche si interfacciano con i minerali inorganici, che è la chiave per comprendere i materiali ibridi.

"La tenacità del dente deriva da questo mix di materiali organici e inorganici e dalle interfacce tra loro, "Ha detto Joester. "Anche se questo è in linea di principio ben noto, è intrigante pensare che potremmo aver trascurato come i sottili cambiamenti nella composizione chimica delle interfacce su scala nanometrica possano svolgere un ruolo in, ad esempio, formazione ossea o diffusione del fluoro nello smalto dei denti. A questo proposito, La tomografia atomo-sonda ha il potenziale per rivoluzionare la nostra comprensione".

La tomografia a sonda atomica (APT) produce un atomo per atomo, Ricostruzione 3D di un campione con risoluzione sub-nanometrica. Ma molti nel campo non pensavano che l'APT avrebbe funzionato per analizzare un materiale composto da parti organiche e inorganiche.

Fortunatamente per Joester e Gordon, Northwestern ha sia David Seidman, un leader nel settore che utilizza APT per studiare i metalli, e due dei pochi strumenti APT nel paese. (Sono meno di una dozzina.) Seidman, Walter P. Murphy Professore di Scienza e Ingegneria dei Materiali, ha incoraggiato Joester a correre il rischio e ad usare l'APT per studiare le architetture biologiche. Gli scienziati hanno anche potuto scambiare idee con gli ingegneri che sviluppano strumenti per sonde atomiche 3D presso CAMECA, una società di strumentazione scientifica nella vicina Madison, Sap.

Joester e Gordon hanno ripreso i denti del chitone, un minuscolo mollusco marino, perché si sa molto del processo di biomineralizzazione. Il chitone vive nel mare e si nutre di alghe che si trovano sulle rocce. Crea continuamente nuove file di denti - una al giorno - per sostituire i denti maturi ma usurati; alla maniera del nastro trasportatore, i denti più vecchi si spostano lungo la radula simile a una lingua della creatura verso la bocca dove si nutre.

I denti di chitone assomigliano ai denti umani in quanto hanno uno strato esterno duro e resistente, equivalente al nostro smalto, e un nucleo più morbido. Al posto dello smalto, i chitoni masticatori usano la magnetite, un ossido di ferro molto duro, che dona ai loro denti una lucentezza nera.

I ricercatori hanno estratto campioni di dimensioni micron dal bordo anteriore del dente. Utilizzando uno strumento a fascio di ioni focalizzato presso la struttura centrale del centro sperimentale di caratterizzazione atomica e su nanoscala della Northwestern University, questi campioni sono stati modellati in punte molto affilate (meno di 20 nanometri di diametro). Il processo ricorda l'affilatura di una matita, anche se con un flusso sovralimentato di ioni di gallio.

La tecnica APT applica al campione un campo elettrico estremamente elevato; gli atomi sulla superficie si ionizzano, volare via e colpire un rilevatore di immagini (simili a quelli che si trovano nelle apparecchiature per la visione notturna). Gli atomi vengono strappati atomo per atomo e strato per strato, come sbucciare una cipolla. Vengono quindi utilizzati metodi informatici per calcolare la posizione originale degli atomi, producendo una mappa 3D o un tomogramma di milioni di atomi all'interno del campione.

Joester e Gordon ora stanno studiando lo smalto dei denti di un vertebrato e intendono applicare l'APT all'osso, anch'esso composto da parti organiche e inorganiche, per saperne di più sulla sua struttura su nanoscala.