De tanden van een weekdier kunnen niet alleen voedsel vangen en kauwen om zijn lichaam te voeden, maar de mariene helikopters hebben ook inzicht in het maken van geavanceerde, goedkopere en milieuvriendelijke materialen.

David Kisailus, UC Irvine-professor, en afgestudeerde student Taifeng Wang, zowel in materiaalkunde als techniek, hebben de ultraharde tanden van de Northern Pacific Cryptochiton-stelleri of gumboot-chiton onder de loep genomen. Hun bevindingen zijn gepubliceerd in de Small Structures Nummer van april 2022.

"De bevindingen in ons werk zijn van cruciaal belang, omdat het niet alleen inzicht geeft in de precisie van natuurlijke systemen bij mineralisatie om hoogwaardige, architectonisch gemaakte materialen te vormen, maar ook inzicht geeft in bio-geïnspireerde synthetische routes naar een nieuwe generatie geavanceerde materialen in een brede scala aan toepassingen, van slijtvaste materialen tot energieopslagsystemen", zegt Kisailus.

Gumboot-chitons zijn plantenetende ongewervelde dieren die hun ultraharde tanden gebruiken om algenafzettingen van kustrotsen te schrapen en te vermalen. Het team van Kisailus ontdekte eerder dat deze tanden zijn gemaakt van sterk uitgelijnde magnetische nanostaafjes, die kracht en weerstand bieden. Om beter te begrijpen hoe de nanostaafjes worden gevormd, gebruikten Kisailus en collega's nanostructurele en chemische analyse van de tanden van de gumboot-chitons tijdens het vroege stadium van volwassenheid. Dit onderzoek onthulde voor het eerst in natuurlijke systemen dat in de vroege stadia van tandontwikkeling, voorgemonteerd organisch vezelig materiaal (chitine) de vorming van deze staafjes leidde via een zeer geordend, mesokristallijn ijzeroxide dat bekend staat als ferrihydriet.

Verder onderzoek van de mesokristallijne structuren onthulde een sferulitisch-achtige architectuur die vaak wordt aangetroffen in semi-kristallijne polymere materialen. De onderzoekers stelden vast dat elk van deze deeltjes een onderliggend organisch raamwerk had (d.w.z. gefosforyleerde eiwitten gekoppeld aan het voorgeassembleerde chitine) dat de vorming en groei van deze ijzeroxidedeeltjes controleerde.

Aanvullende analyse toonde aan dat het ferrihydriet, een relatief onstabiele fase van ijzeroxide, uiteindelijk getransformeerd werd tot mesokristallijn magnetiet (een stabieler en magnetischer materiaal) via een door schuifkracht geïnduceerde fasetransformatie. Het groeide vervolgens uit tot de uiteindelijke vorm van continue ultraharde magnetiet-nanostaafjes in de volledig volgroeide tanden via Ostwald-rijping, een proces waarbij kleinere deeltjes oplossen en opnieuw neerslaan om grotere deeltjes te vormen.

Aangezien deze ultraharde materialen worden gesynthetiseerd bij bijna kamertemperatuur en onder milde fysiologische omstandigheden, kan inzicht in hoe ze worden gevormd goedkope en milieuvriendelijke fabricage van technische materialen met superieure eigenschappen opleveren. + Verder verkennen

Magnetische tanden zijn veelbelovend voor materialen en energie