Biologie biedt ons een constante bron van inspiratie voor het ontwerpen en verkennen van nieuwe functionele materialen.

Klittenband is bijvoorbeeld ontstaan ​​uit hoe plantenbramen aan kleding haken, en de neus van kogeltreinen volgt het ontwerp van de snavel van een ijsvogel. De wetenschap van het aanpassen van ontwerpen van de natuur om complexe technische uitdagingen op te lossen, staat bekend als biomimicry.

Nutsvoorzieningen, ons onderzoeksteam van de Universiteit van Melbourne, de University of Western Australia en de University of California, rivieroever, zijn veranderd in een gewoon zeeweekdier, de chiton, voor aanwijzingen over het ontwerpen van lichtgewicht, harde en slijtvaste materialen op een schone en energiezuinige manier.

De chiton Acanthopleura hirtosa, gevonden in de getijdenzones van de Australische kust, mineraliseert zijn eigen tanden met behulp van ijzer gewonnen uit zeewater om een ​​magnetiet tandcoating te creëren. Deze stof is het hardst bekende biomineraal, sterker dan roestvrij staal.

De magnetische tanden van de chiton lijken op met ijzer bedekte lepels die zijn gemonteerd in een transportbandachtig orgel, bekend als de radula. Er worden voortdurend nieuwe tanden geproduceerd om de tanden te vervangen die zijn afgesleten terwijl ze zich voeden met algen die te vinden zijn in de rotsen waarop ze grazen.

We hopen de ontwerpprincipes van minerale gelaagdheid in de chiton-tanden te leren en aan te passen om goedkope, energiezuinige functionele materialen die kunnen worden toegepast in industriële toepassingen, waaronder oppervlaktecoatings in de bouw, mijnbouw en medische toepassingen, contrastmiddelen voor medische beeldvorming en waterzuivering.

Magnetiet wordt momenteel geproduceerd met behulp van energie-intensieve technieken met hoge temperaturen en sterke zuur- en basischemicaliën. In tegenstelling tot, chiton heeft dit proces ontwikkeld en geoptimaliseerd om superieure materialen te assembleren in zeewater van 15-20 °C, door ijzer uit hun zeewateromgeving te winnen.

Een van de moeilijkste aspecten van biomimicry is het begrijpen van de fundamentele bouwstenen en minerale groeiprocessen die in de natuur worden gebruikt.

Door nieuwe magnetische microscopietechnieken toe te passen, pionierde aan de Universiteit van Melbourne, ons team kon bestuderen hoe deze dieren deze unieke materialen op nanoschaal beginnen te assembleren.

De beeldvormingstechniek maakt gebruik van een dunne laag synthetisch diamantkristal van ongeveer vier millimeter in het vierkant. Om de sensoren te maken, verwijderen we twee koolstofatomen uit de gebruikelijke diamantstructuur, ze vervangen door één stikstofatoom en een atomaire ruimte achterlaten, of vacature, waar het andere koolstofatoom zou moeten zijn.

De combinatie van het stikstofatoom, de vacature en een extra elektron creëert het zogenaamde stikstof-vacature (NV) defect, die als sensor fungeert.

Wanneer groen licht van een optische microscoop op het diamantoppervlak schijnt, reflecteren de NV-defecten rood licht, waarvan de sterkte afhankelijk is van het lokale magnetische veld.

De NV-defecten zijn ongelooflijk gevoelig en kunnen magnetische velden detecteren die een miljoen keer zwakker zijn dan uw standaard koelkastmagneet.

Deze gevoeligheid stelt ons in staat om de bron van het magnetische veld te lokaliseren uit de ijzerbiomineralen, en correleren zijn positie binnen de tand.

Met behulp van de diamant magnetische microscoop, we hebben nu het eerste magnetische beeld gemaakt van chitontanden in de vroege stadia van mineralisatie. Het magnetische veld werd in beeld gebracht van magnetiet-nanodeeltjes, evenals zijn voorloper ijzerbiomineraal, ferrihydriet.

De kaarten stellen ons in staat om het mineralisatiepatroon te visualiseren dat door de chiton wordt gebruikt om ferrihydriet om te zetten in magnetiet in de zich ontwikkelende tanden, met een beeldresolutie die honderd keer kleiner is dan de breedte van een mensenhaar.

Wat we zien is dat de tanden ferrihydriet rekruteren van zowel de voor- als de achterkant van de tanden (van de voor- en achterkant van de tand) om de magnetietmineralisatie aan te drijven.

interessanter, als we kijken naar het magnetische veld van de magnetiet nanodeeltjes, we vinden dat de magnetische domeinen van magnetiet zijn uitgelijnd en geordend over de hele tandsectie.

Dit was een onverwachte en fascinerende bevinding, aangezien eerder onderzoek met behulp van elektronenmicroscopie geen kristallografische ordening in deze materialen bleek te vertonen, onze magnetische afbeeldingen laten echter zien dat de individuele magnetiet-nanodeeltjes die in de vroege stadia van mineralisatie ontstaan, een hoge mate van magnetische orde vertonen.

Dit roept de vraag op:is magnetisme betrokken bij de zelfassemblage van deze ultraharde materialen?

Om dit te helpen beantwoorden, ons team zal zich concentreren op het toepassen van de magnetische microscopietechnologie om synthetische analogen in beeld te brengen in de hoop te begrijpen hoe de magnetische eigenschappen de zelfassemblage van magnetiet beïnvloeden. We hopen dat deze nieuwe kennis kan leiden tot de productie van nieuwe bio-geïnspireerde magnetische materialen met verbeterde eigenschappen.

Leren van de natuur is een uitdaging, maar nieuwe technologie helpt de geheimen ervan te ontrafelen. Ons onderzoek is het zoveelste voorbeeld van hoe kwantumtechnologie kan worden gebruikt om de complexe wereld van de biologie te verkennen.