Così, pensavi che il grande squalo bianco immaginario che mangiava persone nel film "Lo squalo" avesse un morso potente.

Ma non trascurare la possente bocca del pesce pappagallo:i suoi denti robusti gli permettono di masticare coralli tutto il giorno, infine masticandolo e macinandolo attraverso la digestione in sabbia fine. Esatto:il suo "becco" crea spiagge. Un singolo pesce pappagallo può produrre centinaia di chili di sabbia ogni anno.

Ora, uno studio condotto da scienziati - compresi quelli del Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) del Dipartimento dell'Energia - ha rivelato una microstruttura tessuta simile a una cotta di maglia che conferisce ai denti dei pesci pappagallo il loro notevole morso e resistenza.

La struttura naturale che hanno osservato fornisce anche un modello per la creazione di materiali sintetici ultra resistenti che potrebbero essere utili per componenti meccanici in elettronica, e in altri dispositivi che subiscono movimenti ripetitivi, abrasione, e stress da contatto.

Matteo Marco, uno scienziato del personale che lavorava presso l'Advanced Light Source (ALS) del Berkeley Lab - una sorgente di raggi X nota come sorgente di luce di sincrotrone che era parte integrante dello studio del pesce pappagallo - si è incuriosito con il pesce pappagallo durante una visita del 2012 alla Grande Barriera Corallina al largo della costa dell'Australia.

Un video sulla vita marina che ha visto su una barca oceanica gli ha ricordato il ruolo del pesce pappagallo nell'abbattere il corallo in sabbia fine. Si nutrono principalmente di polipi e alghe che vivono sulla superficie degli scheletri di corallo, e aiutare a ripulire le barriere coralline. La durezza dei denti del pesce pappagallo misurata vicino alla superficie masticatoria è di circa 530 tonnellate di pressione per pollice quadrato - equivalente a una pila di circa 88 elefanti africani - compressa in un pollice quadrato di spazio.

"Mi è stato ricordato che questo è un pesce che sgranocchia il corallo tutto il giorno, ed è responsabile di gran parte della sabbia bianca sulle spiagge, " disse Marcus. "Ma come può questo pesce mangiare il corallo e non perdere i denti?"

Tornato alla SLA, Marcus ha chiesto a Pupa Gilbert, biofisica e professoressa del Dipartimento di Fisica dell'Università del Wisconsin-Madison che studia come gli esseri viventi producono minerali, se fosse interessata a studiare i denti dei pesci pappagallo.

Gilbert ha detto che "ha risposto con entusiasmo" alla sfida. Ha guidato un team internazionale nello studio, ricevendo becchi di pesce pappagallo da collaboratori nella Polinesia francese. I suoi collaboratori della Nanyang Technical University di Singapore - Ali Miserez, un professore associato che studia materiali biologici con proprietà uniche, e il suo gruppo - hanno eseguito misurazioni meccaniche per lo studio. Gilbert ha svolto la maggior parte degli studi strutturali per capire come funzionano i denti dei pesci pappagallo.

Marcus è stato il primo autore in questo ultimo studio, guidato da Gilbert e pubblicato online il 20 ottobre sulla rivista ACS Nano . Gilbert aveva precedentemente incluso Marcus in uno dei suoi studi incentrati sulla madreperla, la frattura-duro, rivestimento iridescente noto come madreperla che riveste l'interno di alcuni gusci di mollusco. Nacre ha ispirato il lavoro di ricerca e sviluppo per imitare le sue proprietà di resistenza utilizzando materiali sintetici.

Questo e altri studi simili si sono basati su una tecnica nota come mappatura PIC (polarization-dependent imaging contrast), che Gilbert ha inventato e continua a sviluppare presso la SLA. Nella mappatura PIC, la polarizzazione dei raggi X viene ruotata per consentire l'analisi e la visualizzazione dell'orientamento dei cristalli su scala nanometrica in madreperla e altri biominerali.

"L'ALS è il primo luogo in cui è stata eseguita la mappatura PIC, " disse Gilbert. "Puoi capire a colpo d'occhio come è orientato ogni nanocristallo in una data immagine."

Lei ha aggiunto, "Se stai guardando un dente, o un osso, o un guscio di mollusco, o un pezzo di corallo, questo è super interessante. Ti dice come sono disposti i nanocristalli l'uno rispetto all'altro. Puoi vedere queste bellissime immagini che sembrano migliori dell'arte astratta, e scopri come si formano e funzionano i biominerali."

In questo ultimo studio, Gilberto, Marco, e Miserez voleva vedere come la sottile struttura cristallina dei denti dei pesci pappagallo contribuisce alla loro incredibile forza. I ricercatori sono stati in grado di visualizzare l'orientamento dei singoli cristalli, che mostrava la loro struttura intricata.

Fluorapatite, il minerale responsabile della struttura cristallina dei denti dei pesci pappagallo, contiene calcio, fluoro, fosforo, e ossigeno.

Lo studio ha mostrato che i cristalli di fluorapatite che danno ai denti dei pesci pappagallo la loro forza misurano ciascuno circa 100 nanometri (miliardesimi di metro) di larghezza e diversi micron (milionesimi di metro) di lunghezza, e sono assemblati in fasci intrecciati. I fasci diminuiscono di diametro medio da circa 5 micron a circa 2 micron verso la punta di ciascun dente.

Mentre lo smalto dei denti di molte specie diverse di animali può sembrare simile ai microscopi convenzionali, Gilbert ha notato che queste immagini possono trascurare l'orientamento unico dei cristalli nella struttura dello smalto dei denti. E l'orientamento del cristallo, lei disse, "racconta una grande storia su come denti diversi sono specializzati per funzioni diverse".

Nel caso del pesce pappagallo, le file di denti in continua crescita, che formano una struttura a forma di becco che sostituisce costantemente i vecchi, denti consumati con denti nuovi, sono anche parte integrante del loro comportamento alimentare specializzato. Solo i chitoni hanno denti più duri dei pesci pappagallo, Gilberto ha detto, e nessun altro biominerale è più rigido dei denti di un pesce pappagallo sulla punta mordace.

"I denti dei pesci pappagallo sono i biominerali più belli di tutti, " ha detto Gilbert. "Sono i più rigidi, tra i più difficili, e il più resistente alla frattura e all'abrasione mai misurato." I pesci pappagallo ne hanno circa 1, 000 denti situati in circa 15 file, e ogni dente è cementato a tutti gli altri e circondato da osso per formare un solido becco - denti di squalo, al contrario, non sono interconnessi in questo modo.

Le misure meccaniche per lo studio, che si è concentrato su campioni di denti di un pesce pappagallo dalla testa ripida (Chlorurus microrhinos), trovato che la durezza e la rigidità aumenta verso la punta di ciascun dente. Gli esperimenti di mappatura PIC presso l'ALS hanno rivelato che con l'aumentare della durezza e della rigidità, il diametro dei fasci di cristalli si restringe.

Oltre allo studio di mappatura PIC, che utilizzava uno strumento noto come microscopio elettronico a fotoemissione (PEEM) presso la SLA, esperimenti separati sulla SLA hanno utilizzato una tecnologia di imaging 3D nota come microtomografia a raggi X e un altro metodo a raggi X noto come microdiffrazione per analizzare ulteriormente l'orientamento dei cristalli e le deformazioni dei denti.

"La caratteristica intrecciata e gli orientamenti dei cristalli sono completamente aperti per essere esplorati per la produzione di materiali sintetici, " ha detto Gilbert. "La tessitura è una delle cose più antiche che le persone hanno imparato a fare. Potresti pensare di tessere davvero dei cristalli, come i cristalli diventano flessibili quando sono molto sottili."

Già, Gilbert ha notato, ci sono molti sforzi ben sviluppati per replicare la struttura dello smalto umano utilizzando metodi di nanofabbricazione.

Gilbert e Marcus hanno suggerito che i futuri esperimenti presso la SLA potrebbero concentrarsi su una serie separata di denti (denti faringei) che abbattono ulteriormente i frammenti di corallo nelle gole dei pesci pappagallo.

"Il cielo è il limite a questo punto, " ha detto Gilbert. "Questa prima osservazione delle proprietà meccaniche è eccitante, e ora si può lavorare molto di più sulle proprietà strutturali".