Onderzoekers van de Northwestern University hebben, Voor de eerste keer, ontdekte een zeldzaam mineraal verborgen in de tanden van een chiton, een groot weekdier gevonden langs rotsachtige kusten. Voor deze vreemde verrassing, het ijzermineraal, genaamd santabarbaraite, was alleen gedocumenteerd in rotsen.

De nieuwe bevinding helpt te begrijpen hoe de hele chiton-tand - niet alleen de ultraharde, duurzame cusp - is ontworpen om het kauwen op rotsen te doorstaan ​​​​om te voeden. Gebaseerd op mineralen gevonden in chitontanden, ontwikkelden de onderzoekers een bio-geïnspireerde inkt voor ultrahard 3D-printen, stijve en duurzame materialen.

"Dit mineraal is alleen in zeer kleine hoeveelheden waargenomen in geologische exemplaren en is nog nooit eerder in een biologische context gezien, " zei Derk Joester van Northwestern, senior auteur van de studie. "Het heeft een hoog watergehalte, waardoor het sterk is met een lage dichtheid. We denken dat dit de tanden harder kan maken zonder veel gewicht toe te voegen."

Het onderzoek wordt in de week van 31 mei gepubliceerd in de Proceedings van de National Academy of Sciences .

Joester is universitair hoofddocent materiaalkunde en techniek aan de McCormick School of Engineering van Northwestern. Linus Stegbauer, een voormalig postdoctoraal onderzoeker in het laboratorium van Joester, is de eerste auteur van de krant. Bij Northwestern tijdens het onderzoek, Stegbauer is nu hoofdonderzoeker bij het Institute of Interfacial Process Engineering and Plasma Technology van de Universiteit van Stuttgart in Duitsland.

Een van de hardst bekende materialen in de natuur, chitontanden zijn bevestigd aan een zachte, flexibel, tongachtige radula, die over rotsen schraapt om algen en ander voedsel te verzamelen. Na lang chiton-tanden te hebben bestudeerd, Joester en zijn team wendden zich onlangs tot Cryptochiton stelleri, een reus, roodbruine chiton die soms liefkozend het 'zwervende gehaktbrood' wordt genoemd.

Om een ​​tand van Cryptochiton stelleri te onderzoeken, Het team van Joester werkte samen met Ercan Alp, een senior wetenschapper bij de Advanced Photon Source van het Argonne National Laboratory, om de synchrotron Mössbauer-spectroscopie van de faciliteit te gebruiken, evenals met Paul Smeets om transmissie-elektronenmicroscopie te gebruiken bij het Northwestern University Atomic and Nanoscale Characterization and Experiment (NUANCE) Center. Ze vonden santabarbaraiet verspreid over de bovenste stylus van de chiton, langs, holle structuur die de kop van de tand verbindt met het flexibele radula-membraan.

"De stylus is als de wortel van een menselijke tand, die de knobbel van onze tand verbindt met onze kaak, Joester zei. "Het is een taai materiaal dat is samengesteld uit extreem kleine nanodeeltjes in een vezelachtige matrix gemaakt van biomacromoleculen, vergelijkbaar met botten in ons lichaam."

De groep van Joester daagde zichzelf uit om dit materiaal opnieuw te creëren in een inkt die is ontworpen voor 3D-printen. Stegbauer ontwikkelde een reactieve inkt bestaande uit ijzer- en fosfaationen gemengd tot een biopolymeer afgeleid van de chitine. Samen met Shay Wallace, een noordwestelijke afgestudeerde student in het laboratorium van Mark Hersam, Stegbauer ontdekte dat de inkt goed afdrukte als hij onmiddellijk voor het afdrukken werd gemengd.

"Terwijl de nanodeeltjes zich vormen in het biopolymeer, het wordt sterker en stroperiger. Dit mengsel kan vervolgens gemakkelijk worden gebruikt voor het afdrukken. Daaropvolgend drogen aan de lucht leidt tot het harde en stijve uiteindelijke materiaal, " zei Joester. Joester gelooft dat we kunnen blijven leren van en materialen kunnen ontwikkelen die zijn geïnspireerd op de stylus van de chiton, die ultraharde tanden verbindt met een zachte radula.

"We zijn al heel lang gefascineerd door de chiton, " zei hij. "Mechanische structuren zijn zo goed als hun zwakste schakel, dus het is interessant om te leren hoe de chiton het technische probleem oplost om zijn ultraharde tand te verbinden met een zachte onderliggende structuur. Dit blijft een belangrijke uitdaging in de moderne productie, dus we kijken naar organismen zoals de chiton om te begrijpen hoe dit in de natuur wordt gedaan, die een doorlooptijd van een paar honderd miljoen jaar heeft gehad om zich te ontwikkelen."