Dus, je dacht dat de fictieve mensenetende grote witte haai in de film "Jaws" een krachtige beet had.

Maar vergeet de machtige mond van de papegaaivis niet - dankzij zijn sterke tanden kan hij de hele dag op koraal kauwen, uiteindelijk kauwen en vermalen door de spijsvertering tot fijn zand. Dat klopt:zijn "snavel" creëert stranden. Een enkele papegaaivis kan elk jaar honderden kilo's zand produceren.

Nutsvoorzieningen, een studie door wetenschappers - waaronder die van het Lawrence Berkeley National Laboratory van het Department of Energy (Berkeley Lab) - heeft een maliënkolderachtige geweven microstructuur onthuld die de tanden van papegaaivissen hun opmerkelijke beet en veerkracht geeft.

De natuurlijke structuur die ze hebben waargenomen, biedt ook een blauwdruk voor het maken van ultraduurzame synthetische materialen die nuttig kunnen zijn voor mechanische componenten in elektronica, en in andere apparaten die herhaalde bewegingen ondergaan, slijtage, en contactstress.

Mattheus Marcus, een stafwetenschapper die werkte bij Berkeley Lab's Advanced Light Source (ALS) - een röntgenbron die bekend staat als een synchrotron-lichtbron die een integraal onderdeel was van de papegaaivisstudie - raakte geïntrigeerd door papegaaivissen tijdens een bezoek in 2012 aan het Great Barrier Reef voor de kust van Australië.

Een video over zeeleven die hij op een rondvaartboot op zee bekeek, herinnerde hem aan de rol van papegaaivissen bij het afbreken van koraal tot fijn zand. Ze smullen vooral van de poliepen en algen die op het oppervlak van koraalskeletten leven, en helpen bij het opruimen van riffen. De hardheid van de tanden van papegaaivissen gemeten in de buurt van het bijtoppervlak is ongeveer 530 ton druk per vierkante inch - gelijk aan een stapel van ongeveer 88 Afrikaanse olifanten - gecomprimeerd tot een vierkante inch ruimte.

"Ik werd eraan herinnerd dat dit een vis is die de hele dag koraal vermorzelt, en is verantwoordelijk voor een groot deel van het witte zand op stranden, ' zei Marcus. 'Maar hoe kan deze vis koraal eten zonder zijn tanden te verliezen?'

Terug bij de ALS, Marcus vroeg Pupa Gilbert - een biofysicus en professor aan de afdeling Natuurkunde van de Universiteit van Wisconsin-Madison die onderzoekt hoe levende wezens mineralen produceren - of ze geïnteresseerd was in het bestuderen van de tanden van papegaaivissen.

Gilbert zei dat ze "enthousiast reageerde" op de uitdaging. Ze leidde een internationaal team in de studie, snavels van papegaaivissen ontvangen van medewerkers in Frans-Polynesië. Haar medewerkers van de Nanyang Technical University in Singapore - Ali Miserez, een universitair hoofddocent die biologische materialen met unieke eigenschappen bestudeert, en zijn groep - voerden mechanische metingen uit voor de studie. Gilbert voerde de meeste structurele onderzoeken uit om te begrijpen hoe de tanden van papegaaivissen werken.

Marcus was de eerste auteur van deze laatste studie, geleid door Gilbert en online gepubliceerd op 20 oktober in het tijdschrift ACS Nano . Gilbert had Marcus eerder opgenomen in een van haar onderzoeken die zich richtten op parelmoer, de breukvaste, iriserende coating bekend als parelmoer die de binnenkant van sommige weekdierschelpen bekleedt. Nacre heeft R&D-werk geïnspireerd om de sterkte-eigenschappen ervan na te bootsen met behulp van synthetische materialen.

Deze en soortgelijke onderzoeken zijn gebaseerd op een techniek die bekend staat als PIC (polarization-dependent imaging contrast) mapping, die Gilbert bedacht en verder ontwikkelt bij de ALS. In PIC-mapping, de polarisatie van röntgenstralen wordt geroteerd om de analyse en weergave van kristaloriëntatie op nanoschaal in parelmoer en andere biomineralen mogelijk te maken.

"De ALS is de eerste plaats waar PIC-mapping werd gedaan, "zei Gilbert. "Je kunt in één oogopslag begrijpen hoe elk nanokristal in een bepaald beeld is georiënteerd."

Ze voegde eraan toe, "Als je naar een tand kijkt, of een bot, of een weekdierschelp, of een stuk koraal, dit is superinteressant. Het vertelt je hoe nanokristallen ten opzichte van elkaar zijn gerangschikt. Je kunt deze prachtige afbeeldingen zien die er beter uitzien dan abstracte kunst, en leer hoe biomineralen zich vormen en functioneren."

In deze laatste studie Gilbert, Marcus, en Miserez wilde zien hoe de fijne kristalstructuur van de tanden van papegaaivissen bijdraagt ​​aan hun ongelooflijke kracht. De onderzoekers konden de oriëntatie van individuele kristallen visualiseren, die hun ingewikkeld geweven structuur toonden.

fluorapatiet, het mineraal dat verantwoordelijk is voor de kristalstructuur van papegaaivistanden, bevat kalk, fluor, fosfor, en zuurstof.

De studie toonde aan dat de fluorapatietkristallen die de tanden van papegaaivissen hun kracht geven, elk ongeveer 100 nanometer (miljardsten van een meter) breed en enkele micron (miljoensten van een meter) lang zijn, en worden samengevoegd tot verweven bundels. De bundels nemen in gemiddelde diameter af van ongeveer 5 micron tot ongeveer 2 micron in de richting van de punt van elke tand.

Hoewel tandglazuur van veel verschillende diersoorten kan lijken op conventionele microscopen, Gilbert merkte op dat deze afbeeldingen de unieke oriëntatie van kristallen in de glazuurstructuur van tanden over het hoofd kunnen zien. En de kristaloriëntatie, ze zei, "vertelt een groot verhaal over hoe verschillende tanden gespecialiseerd zijn voor verschillende functies."

In het geval van papegaaivissen, de continu groeiende rijen tanden, die een snavelachtige structuur vormen die voortdurend oudere, versleten tanden met nieuwe tanden, zijn ook een integraal onderdeel van hun gespecialiseerde voedingsgedrag. Alleen chitons hebben hardere tanden dan papegaaivissen, Gilbert zei, en geen ander biomineraal is stijver dan de tanden van papegaaivissen aan hun bijtpunt.

"De tanden van papegaaivissen zijn de coolste biomineralen van allemaal, "Zei Gilbert. "Ze zijn de stijfste, onder de moeilijkste, en het meest bestand tegen breuk en slijtage ooit gemeten." Papegaaivissen hebben ongeveer 1, 000 tanden in ongeveer 15 rijen, en elke tand is aan alle andere gecementeerd en omgeven door bot om een ​​stevige snavel te vormen - haaientanden, daarentegen, zijn niet op deze manier met elkaar verbonden.

De mechanische metingen voor de studie, die zich richtte op tandmonsters van een steilkoppapegaaivis (Chlorurus microrhinos), ontdekte dat de hardheid en stijfheid toeneemt naar de punt van elke tand. De PIC-mapping-experimenten bij de ALS onthulden dat naarmate de hardheid en stijfheid toenemen, de diameter van de kristalbundels versmalt.

Naast de PIC-mapping studie, die een hulpmiddel gebruikte dat bekend staat als een foto-emissie-elektronenmicroscoop (PEEM) bij de ALS, afzonderlijke ALS-experimenten gebruikten een 3D-beeldtechnologie die bekend staat als röntgenmicrotomografie en een andere röntgenmethode die bekend staat als microdiffractie om de kristaloriëntaties en spanningen van de tanden verder te analyseren.

"Het verweven kenmerk en de kristaloriëntaties zijn volledig open om te worden onderzocht voor de productie van synthetische materialen, " zei Gilbert. "Weven is een van de oudste dingen die mensen hebben geleerd om te doen. Je zou kunnen denken aan het weven van kristallen, omdat kristallen flexibel worden als ze erg dun zijn."

Nu al, Gilbert merkte op, er zijn veel goed ontwikkelde pogingen om de structuur van menselijk glazuur te repliceren met behulp van nanofabricagemethoden.

Gilbert en Marcus suggereerden dat toekomstige experimenten bij de ALS zich zouden kunnen concentreren op een apart stel tanden (keeltanden) die koraaldeeltjes in de keel van papegaaivissen verder afbreken.

"The sky is the limit op dit punt, Gilbert zei. "Deze eerste observatie van de mechanische eigenschappen is opwindend, en nu kan er veel meer aan de constructieve eigenschappen worden gedaan."