Tanden en botten zijn belangrijke en complexe structuren bij mensen en andere dieren, maar er is eigenlijk weinig bekend over hun chemische structuur op atomaire schaal. Wat hen precies hun befaamde taaiheid geeft, hardheid en sterkte? Hoe controleren organismen de synthese van deze geavanceerde functionele composieten?

Nutsvoorzieningen, met behulp van een zeer geavanceerde beeldvormingstool op atomaire schaal op de tand van een zeedier, twee onderzoekers van de Northwestern University hebben een deel van het mysterie van organische/anorganische interfaces die de kern vormen van tand- en botstructuur weggenomen. Zij zijn de eersten die een driedimensionale kaart produceren van de locatie en identiteit van miljoenen individuele atomen in het complexe hybride materiaal waarmee het dier letterlijk op steen kan kauwen.

Aantonen dat atoom-sonde tomografie (APT) kan worden gebruikt om dergelijke materialen te ondervragen, opent de mogelijkheid om fluoride in tanden en kanker- en osteoporosemedicijnen in bot te volgen (op voorheen ontoegankelijke lengteschalen). De gedetailleerde kennis van organische/anorganische interfaces zal wetenschappers ook helpen om rationeel bruikbare nieuwe materialen te ontwerpen -- flexibele elektronica, polymeren en nanocomposietmaterialen, zoals organische fotovoltaïsche cellen -- die de beste eigenschappen van organische en anorganische materialen combineren.

De resultaten worden op 13 januari gepubliceerd door het tijdschrift Natuur .

"De interface tussen de organische en anorganische materialen speelt een grote rol bij het beheersen van eigenschappen en structuur, " zei Derk Joester, senior auteur van het artikel. "Hoe maken en controleren organismen deze materialen? We moeten deze architectuur op nanoschaal begrijpen om op intelligente wijze nieuwe materialen te ontwerpen. Anders hebben we echt geen idee wat er aan de hand is."

Joester is de Morris E. Fine Junior Professor in Materials and Manufacturing aan de McCormick School of Engineering and Applied Science. Lyle Gordon, een doctoraatsstudent in het lab van Joester, is de andere auteur van het artikel.

De twee gingen op zoek naar de organische vezels waarvan ze wisten dat ze een belangrijk onderdeel waren van de tandstructuur, begraven in de harde buitenste laag van de tand, gemaakt van magnetiet. Hun kwantitatieve kartering van de tand laat zien dat de op koolstof gebaseerde vezels, elk 5 tot 10 nanometer in diameter, bevatte ook natrium- of magnesiumionen. Joester en Gordon hebben als eersten direct bewijs van de locatie, dimensie en chemische samenstelling van organische vezels in het mineraal.

Ze waren verrast door de chemische heterogeniteit van de vezels, die zinspeelt op hoe organismen de chemie moduleren op nanoschaal. Joester en Gordon willen graag meer weten over hoe de organische vezels in contact komen met de anorganische mineralen, wat de sleutel is tot het begrijpen van hybride materialen.

"De taaiheid van de tand komt van deze mix van organische en anorganische materialen en de interfaces daartussen, zei Joester. "Hoewel dit in principe algemeen bekend is, het is intrigerend om te denken dat we misschien over het hoofd hebben gezien hoe subtiele veranderingen in de chemische samenstelling van nanoschaalinterfaces een rol kunnen spelen bij, bijvoorbeeld, botvorming of de diffusie van fluoride in het tandglazuur. In dit verband, atoom-sonde tomografie heeft het potentieel om ons begrip te revolutioneren."

Atom-probe tomography (APT) produceert een atoom-voor-atoom, 3D-reconstructie van een monster met een resolutie van minder dan nanometer. Maar velen in het veld dachten niet dat APT zou werken om een ​​materiaal te analyseren dat bestaat uit organische en anorganische delen.

Gelukkig voor Joester en Gordon, Northwestern heeft zowel David Seidman, een leider in het veld die APT gebruikt om metalen te bestuderen, en twee van de weinige APT-instrumenten in het land. (Er zijn er minder dan een dozijn.) Seidman, Walter P. Murphy Hoogleraar Materials Science and Engineering, moedigde Joester aan om het risico te nemen en APT te gebruiken om biologische architecturen te bestuderen. De wetenschappers konden ook ideeën uitwisselen met de ingenieurs die 3D-atoomsonde-instrumenten ontwikkelden bij CAMECA, een wetenschappelijk instrumentatiebedrijf in het nabijgelegen Madison, wijs.

Joester en Gordon beeldden tanden van de chiton af, een klein zeeweekdier, omdat er veel bekend is over het biomineralisatieproces. De chiton leeft in de zee en voedt zich met algen die op rotsen worden gevonden. Het maakt voortdurend nieuwe rijen tanden - één per dag - om volwassen maar versleten tanden te vervangen; op een lopende band, de oudere tanden bewegen langs de tongachtige radula van het wezen naar de mond waar het zich voedt.

Chitontanden lijken op menselijke tanden omdat ze een harde en taaie buitenlaag hebben - gelijk aan ons glazuur - en een zachtere kern. In plaats van email, de rotskauwende chitons gebruiken magnetiet, een zeer hard ijzeroxide, die hun tanden een zwarte glans geven.

De onderzoekers haalden microngrote monsters uit de voorrand van de tand. Met behulp van een gefocusseerde ionenbundeltool bij de kernfaciliteit van het Northwestern University Atomic and Nanoscale Characterization Experimental Center, deze monsters werden gevormd tot zeer scherpe punten (minder dan 20 nanometer breed). Het proces doet denken aan het slijpen van een potlood, zij het met een supercharged stroom van galliumionen.

De APT-techniek past een extreem hoog elektrisch veld toe op het monster; atomen op het oppervlak ioniseren, wegvliegen en een beelddetector raken (vergelijkbaar met die in nachtzichtapparatuur). De atomen worden atoom voor atoom en laag voor laag verwijderd, zoals het pellen van een ui. Vervolgens worden computermethoden gebruikt om de oorspronkelijke locatie van de atomen te berekenen, het produceren van een 3D-kaart of tomogram van miljoenen atomen in het monster.

Joester en Gordon bestuderen nu het tandglazuur van een gewerveld dier en zijn van plan APT toe te passen op bot, die ook is gemaakt van organische en anorganische delen, om meer te weten te komen over de structuur op nanoschaal.