Een team van onderzoekers onder leiding van de Universiteit van Californië in San Diego heeft ontdekt wat verantwoordelijk is voor het transparant maken van de tanden van de diepzeedrakenvis. Deze unieke aanpassing, die helpt de drakenvissen te camoufleren van hun prooi, resultaten van hun tanden met een ongewoon kristallijne nanostructuur gemengd met amorfe gebieden. De bevindingen kunnen "bio-inspiratie" bieden voor onderzoekers die transparant keramiek willen ontwikkelen.

Onderzoekers beschrijven hun bevindingen in een paper dat op 5 juni in het tijdschrift is gepubliceerd Materie .

Diepzeewezens hebben een aantal fascinerende aanpassingen ontwikkeld, zoals bioluminescentie, ogen die kunnen zien bij weinig licht, en monden die veel grotere prooien kunnen verzwelgen. sommige soorten, zoals de diepzeedrakenvis ( Aristostomias scintillans ), transparante tanden hebben.

"Het is een aanpassing die, voor zover we weten, is nog niet in detail onderzocht, " zei Audrey Velasco-Hogan, een materiaalkunde Ph.D. student aan de UC San Diego Jacobs School of Engineering en eerste auteur van de studie. "Door te bestuderen waarom deze tanden transparant zijn, we kunnen diepzee-organismen zoals de drakenvis en de aanpassingen die ze hebben ontwikkeld om in hun omgeving te leven beter begrijpen."

transparante tanden, samen met een donker lichaam, de drakenvissen in wezen onzichtbaar maken voor hun prooi, legde Velasco-Hogan uit. Door deze camouflage drakenvissen behoren tot de beste roofdieren van de diepzee, ondanks dat ze klein zijn (ongeveer 15 centimeter lang) en relatief langzaam.

"Ze brengen het grootste deel van hun tijd zittend door met hun kaken open, wachten tot er iets voorbij komt. Hun tanden zijn altijd zichtbaar, dus het is belangrijk dat ze transparant zijn, zodat ze geen bioluminescerend licht uit de omgeving reflecteren of verstrooien, ' zei Velasco-Hogan.

Om de mysteries van de gebitsvermomming van de drakenvis op te lossen, onderzoekers beeldden en analyseerden de nanostructuur van de tanden met behulp van een combinatie van elektronenmicroscopie, gerichte ionenbundel- en nano-indentatietests. Ze ontdekten dat de tanden unieke eigenschappen hebben, zowel in hun buitenste glazuurachtige laag als in de binnenste dentinelaag.

De glazuurachtige laag bestaat uit hydroxyapatiet-nanokristallen die zo zijn gestructureerd dat het licht niet wordt verstrooid of weerkaatst op het tandoppervlak. De dentinelaag is ook op zijn eigen manier gestructureerd. Het mist microscopische kanalen die dentinetubuli worden genoemd, die geven de tanden van mensen en andere dieren hun kleur. De afwezigheid van buisjes is ook verantwoordelijk voor het transparant maken van de tanden van drakenvissen.

"Typisch, tanden zijn niet nanogestructureerd. En ze hebben meestal microschaalkenmerken zoals dentinetubuli. Vanuit een materiaalperspectief, het is echt interessant om te zien dat de tanden van drakenvissen een architectuur hebben die we bij andere niet zien, ' zei Velasco-Hogan.

"Ik vind het ook fascinerend hoe er fundamentele overeenkomsten zijn tussen materialen in het lab en in de natuur, "voegde ze eraan toe. "Experimenteel, we weten dat de manier om een ​​materiaal transparant te maken is door de korrelgrootte te verkleinen om het nanogestructureerd te maken. Dus het is een interessante parallel om te zien dat de natuur zo ook transparantie tot stand brengt."

Interdisciplinair teamwerk

Velasco-Hogan maakte deel uit van een interdisciplinair team van onderzoekers die als eersten de tanden van de drakenvis in detail bestudeerden. Velasco-Hogan beeldde de tanden af, karakteriseerden hun transparantie en bestudeerden hun mechanische eigenschappen. Ze werkte onder leiding van Marc Meyers, een professor in de afdelingen NanoEngineering en Mechanische en Luchtvaart- en Ruimtevaarttechniek aan de UC San Diego.

"Mijn groep is altijd op zoek naar nieuwe materialen in de natuur om te bestuderen, " zei Meijers, wiens onderzoek zich richt op biomimicry. "En interdisciplinaire samenwerkingen zijn een belangrijk onderdeel van ons werk. Als we wetenschappers met verschillende achtergronden bij elkaar brengen, we kunnen de kennis in onze vakgebieden vergroten op manieren die een enkel laboratorium niet alleen zou kunnen doen."

Ze werkten samen met Dimitri Deheyn, een mariene bioloog aan de Scripps Institution of Oceanography aan de UC San Diego die onderzoek doet naar bioluminescentie en biomimicry. Deheyn opperde het idee voor de studie, de exemplaren verzameld, voerde beeldvormende experimenten uit en karakteriseerde de transparantie van de tanden.

"Profiteren van de ultieme adaptatie die organismen laten zien aan specifieke omgevingen is altijd een motor geweest voor technologische innovatie, en de drakenvis is hierop geen uitzondering, " zei Deheyn. "Er is duidelijk nog brede inspiratie te halen uit de drakenvissen en de natuur in het algemeen, en dit snijpunt tussen biologie en techniek door middel van biomimicry is duidelijk een lucratieve weg voor duurzame innovaties."

Het team betrok ook het lab van Eduard Arzt, Directeur van het Leibniz Instituut voor Nieuwe Materialen (INM) in Saarbrücken, Duitsland. Marcus Koch, die hoofd fysieke analyse is bij INM, analyseerde de nanostructuur van de tanden met een gespecialiseerde elektronenmicroscoop. Birgit Nothdurft, een technicus in de afdeling Physical Analytics bij INM, voerde een zeer gespecialiseerde voorbereiding van de monsters uit.