Acanthopleura hirtosa chiton radula. La rádula completa consta de 73 dientes con varias etapas de mineralización. La imagen de arriba muestra los dientes antes y después del inicio de la mineralización de magnetita. El color amarillo / naranja surge de la transformación de fase de una forma de hierro (ferrihidrita) a otra (magnetita). Crédito:Jeremy Shaw, Universidad de Australia Occidental
La biología nos proporciona una fuente constante de inspiración para diseñar y explorar nuevos materiales funcionales.
El velcro, por ejemplo, surgió de cómo las rebabas de plantas se enganchan en la ropa, y la nariz de los trenes bala sigue el diseño del pico de un martín pescador. La ciencia de adaptar los diseños de la naturaleza para resolver complejos desafíos de ingeniería se conoce como biomimetismo.
Ahora, nuestro equipo de investigación de la Universidad de Melbourne, la Universidad de Australia Occidental y la Universidad de California, Orilla, se han convertido en un molusco marino común, el quitón, para obtener pistas sobre cómo diseñar un peso ligero, Materiales duros y resistentes a la abrasión de forma limpia y energéticamente eficiente.
El quitón Acanthopleura hirtosa, que se encuentran en las zonas intermareales de la costa de Australia, mineraliza sus propios dientes utilizando hierro extraído del agua de mar para crear un recubrimiento dental de magnetita. Esta sustancia es el biomineral más duro conocido, Más resistente que el acero inoxidable.
Los dientes magnéticos del quitón se asemejan a cucharas cubiertas de hierro ensambladas en un órgano similar a una cinta transportadora, conocido como la radula. Constantemente se producen nuevos dientes para reemplazar los desgastados mientras se alimentan de las algas que se encuentran dentro de las rocas en las que pastan.
Esperamos aprender y adaptar los principios de diseño de capas minerales en los dientes de quitón para ofrecer un bajo costo, Materiales funcionales energéticamente eficientes que se pueden aplicar en aplicaciones industriales, incluidos revestimientos de superficies en la construcción. aplicaciones mineras y médicas, agentes de contraste para imágenes médicas y purificación de agua.
Actualmente, la magnetita se produce mediante técnicas de uso intensivo de energía que utilizan altas temperaturas y productos químicos ácidos y básicos fuertes. A diferencia de, chiton ha evolucionado y optimizado este proceso para ensamblar materiales superiores en agua de mar a 15-20 ° C, extrayendo hierro de sus alrededores de agua de mar.
La rebaba de bardana enganchada en la ropa fue la inspiración para el velcro. Crédito:Shutterstock
Uno de los aspectos más difíciles de la biomimetismo es comprender los bloques de construcción fundamentales y los procesos de crecimiento mineral que se utilizan en la naturaleza.
Aplicando nuevas técnicas de microscopía magnética, pionera en la Universidad de Melbourne, nuestro equipo pudo estudiar cómo estos animales comienzan a ensamblar estos materiales únicos a nanoescala.
La técnica de obtención de imágenes utiliza una fina lámina de cristal de diamante sintético de unos cuatro milímetros cuadrados. Para crear los sensores, eliminamos dos átomos de carbono de la estructura de diamante habitual, reemplazándolos con un átomo de nitrógeno y dejando un espacio atómico, o vacante, donde debería estar el otro átomo de carbono.
La combinación del átomo de nitrógeno, la vacante y un electrón adicional crean el llamado defecto de vacancia de nitrógeno (NV), que actúa como sensor.
Cuando la luz verde de un microscopio óptico se proyecta sobre la superficie del diamante, los defectos NV reflejan la luz roja, cuya fuerza depende del campo magnético local.
Los defectos de NV son increíblemente sensibles y pueden detectar campos magnéticos un millón de veces más débiles que el imán de nevera estándar.
Esta sensibilidad nos permite identificar la fuente del campo magnético de los biominerales de hierro, y correlacionar su posición dentro del diente.
Usando el microscopio magnético de diamante, ahora hemos producido la primera imagen magnética de dientes de quitón en las primeras etapas de mineralización. Se obtuvieron imágenes del campo magnético a partir de nanopartículas de magnetita, así como de su precursor biomineral de hierro, ferrihidrita.
Imagen de microscopía magnética 2-D de un solo diente quitón de Acanthopleura Hirtosa. La escala de colores representa la fuerza del campo magnético que emana del diente y las flechas indican la dirección del campo magnético de las nanopartículas de magnetita. Crédito:Universidad de Melbourne
Los mapas nos permiten visualizar el patrón de mineralización utilizado por el quitón para convertir ferrihidrita en magnetita en los dientes en desarrollo. con una resolución de imagen cien veces menor que el ancho de un cabello humano.
Lo que vemos es que los dientes reclutan ferrihidrita de los lados anterior y posterior de los dientes (de las superficies frontal y posterior del diente) para impulsar la mineralización de magnetita.
Más interesante aún, cuando miramos el campo magnético de las nanopartículas de magnetita, encontramos que los dominios magnéticos de magnetita están alineados y ordenados en toda la sección del diente.
Este fue un hallazgo inesperado y fascinante, ya que investigaciones previas que utilizaron microscopía electrónica parecían no mostrar un orden cristalográfico en estos materiales. sin embargo, nuestras imágenes magnéticas muestran que las nanopartículas de magnetita individuales que emergen en las primeras etapas de la mineralización muestran un alto grado de orden magnético.
Esto plantea la pregunta:¿está involucrado el magnetismo en el autoensamblaje de estos materiales ultraduros?
Para ayudar a responder esto, nuestro equipo se centrará en aplicar la tecnología de microscopía magnética para obtener imágenes de análogos sintéticos con la esperanza de comprender cómo las propiedades magnéticas impactan en el autoensamblaje de la magnetita. Esperamos que este nuevo conocimiento pueda conducir a la producción de nuevos materiales magnéticos bioinspirados con propiedades mejoradas.
Aprender de la naturaleza es un desafío, pero la nueva tecnología está ayudando a descubrir sus secretos. Nuestra investigación es otro ejemplo de cómo se puede utilizar la tecnología cuántica para explorar el complejo mundo de la biología.
