Los investigadores de la Universidad Northwestern tienen, por primera vez, descubrió un mineral raro escondido dentro de los dientes de un quitón, un gran molusco que se encuentra a lo largo de las costas rocosas. Ante esta extraña sorpresa el mineral de hierro, llamado santabarbaraite, sólo se había documentado en rocas.

El nuevo hallazgo ayuda a comprender cómo todo el diente de quitón, no solo el ultraduro, cúspide duradera:está diseñada para soportar la masticación de rocas para alimentarse. Basado en minerales que se encuentran en los dientes de quitón, los investigadores desarrollaron una tinta bioinspirada para impresión 3D ultraduro, Materiales rígidos y duraderos.

“Este mineral solo se ha observado en especímenes geológicos en cantidades muy pequeñas y nunca antes se había visto en un contexto biológico, "dijo Derk Joester de Northwestern, el autor principal del estudio. "Tiene un alto contenido de agua, lo que lo hace fuerte con baja densidad. Creemos que esto podría endurecer los dientes sin agregar mucho peso ".

El estudio se publicará la semana del 31 de mayo en el procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias .

Joester es profesor asociado de ciencia e ingeniería de materiales en la Escuela de Ingeniería McCormick de Northwestern. Linus Stegbauer, un ex becario postdoctoral en el laboratorio de Joester, es el primer autor del artículo. En Northwestern durante la investigación, Stegbauer es ahora investigador principal en el Instituto de Ingeniería de Procesos Interfaciales y Tecnología de Plasma de la Universidad de Stuttgart en Alemania.

Uno de los materiales más duros conocidos en la naturaleza, los dientes de quitón están unidos a un blando, flexible, rádula en forma de lengua, que raspa las rocas para recolectar algas y otros alimentos. Habiendo estudiado durante mucho tiempo los dientes de quitón, Joester y su equipo se dirigieron recientemente a Cryptochiton stelleri, un gigante, quitón de color marrón rojizo que a veces se conoce cariñosamente como el "pastel de carne errante".

Para examinar un diente de Cryptochiton stelleri, El equipo de Joester colaboró ​​con Ercan Alp, un científico senior en la Fuente de Fotones Avanzada del Laboratorio Nacional Argonne, para utilizar la espectroscopia sincrotrón Mössbauer de la instalación, así como con Paul Smeets para utilizar la microscopía electrónica de transmisión en el Centro de Experimentación y Caracterización Atómica y Nanoescala (NUANCE) de la Universidad Northwestern. Encontraron santabarbaraita dispersa por todo el estilete superior del quitón, a lo largo de, estructura hueca que conecta la cabeza del diente a la membrana flexible de la rádula.

"El lápiz es como la raíz de un diente humano, que conecta la cúspide de nuestro diente a nuestra mandíbula, ", Dijo Joester." Es un material resistente compuesto de nanopartículas extremadamente pequeñas en una matriz fibrosa hecha de biomacromoléculas, similar a los huesos de nuestro cuerpo ".

El grupo de Joester se desafió a sí mismo a recrear este material en una tinta diseñada para impresión 3D. Stegbauer desarrolló una tinta reactiva que comprende iones de hierro y fosfato mezclados en un biopolímero derivado de la quitina. Junto con Shay Wallace, un estudiante de posgrado de Northwestern en el laboratorio de Mark Hersam, Stegbauer descubrió que la tinta imprimía bien cuando se mezclaba inmediatamente antes de imprimir.

"A medida que se forman las nanopartículas en el biopolímero, se vuelve más fuerte y viscoso. Esta mezcla se puede utilizar fácilmente para imprimir. El secado posterior al aire conduce a un material final duro y rígido, ", Dijo Joester. Joester cree que podemos seguir aprendiendo y desarrollando materiales inspirados en el lápiz de quitón, que conecta dientes ultraduros con una rádula blanda.

"Hemos estado fascinados con el quitón durante mucho tiempo, ", dijo." Las estructuras mecánicas son tan buenas como su eslabón más débil, por eso es interesante aprender cómo el quitón resuelve el problema de ingeniería de cómo conectar su diente ultraduro a una estructura subyacente blanda. Esto sigue siendo un desafío importante en la fabricación moderna, por lo que buscamos organismos como el quitón para comprender cómo se hace esto en la naturaleza, que ha tenido un tiempo de espera de un par de cientos de millones de años para desarrollarse ".