Los dientes y los huesos son estructuras importantes y complejas en los seres humanos y otros animales, pero en realidad se sabe poco sobre su estructura química a escala atómica. ¿Qué les da exactamente su renombrada dureza? dureza y fuerza? ¿Cómo controlan los organismos la síntesis de estos compuestos funcionales avanzados?

Ahora, utilizando una herramienta de imágenes a escala atómica altamente sofisticada en el diente de una criatura marina, dos investigadores de la Universidad de Northwestern han despejado parte del misterio de las interfaces orgánico / inorgánico que están en el corazón de la estructura de los dientes y los huesos. Son los primeros en producir un mapa tridimensional de la ubicación e identidad de millones de átomos individuales en el complejo material híbrido que permite al animal masticar literalmente roca.

Demostrar que la tomografía con sonda atómica (APT) se puede utilizar para interrogar dichos materiales abre la posibilidad de rastrear el flúor en los dientes y los fármacos contra el cáncer y la osteoporosis en el hueso (a escalas de longitud previamente inaccesibles). El conocimiento detallado de las interfaces orgánicas / inorgánicas también ayudará a los científicos a diseñar racionalmente nuevos materiales útiles:electrónica flexible, polímeros y materiales nanocompuestos, como la fotovoltaica orgánica, que combinan las mejores propiedades de los materiales orgánicos e inorgánicos.

Los resultados serán publicados el 13 de enero por la revista Naturaleza .

"La interfaz entre los materiales orgánicos e inorgánicos juega un papel importante en el control de las propiedades y la estructura, "dijo Derk Joester, autor principal del artículo. "¿Cómo fabrican y controlan los organismos estos materiales? Necesitamos comprender esta arquitectura a nivel de nanoescala para diseñar nuevos materiales de manera inteligente. De lo contrario, realmente no tenemos idea de lo que está sucediendo".

Joester es profesor junior Morris E. Fine en materiales y fabricación en la Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas McCormick. Lyle Gordon, un estudiante de doctorado en el laboratorio de Joester, es el otro autor del artículo.

Los dos se propusieron encontrar las fibras orgánicas que sabían que eran una parte importante de la estructura del diente, enterrado en la dura capa exterior del diente, hecho de magnetita. Su mapeo cuantitativo del diente muestra que las fibras a base de carbono, cada 5 a 10 nanómetros de diámetro, también contenía iones de sodio o magnesio. Joester y Gordon son los primeros en tener una prueba directa de la ubicación. dimensión y composición química de las fibras orgánicas dentro del mineral.

Les sorprendió la heterogeneidad química de las fibras, lo que sugiere cómo los organismos modulan la química a nanoescala. Joester y Gordon están ansiosos por aprender más sobre cómo las fibras orgánicas interactúan con los minerales inorgánicos, que es clave para comprender los materiales híbridos.

"La dureza del diente proviene de esta mezcla de materiales orgánicos e inorgánicos y las interfaces entre ellos, ", Dijo Joester." Si bien esto es en principio bien conocido, Es intrigante pensar que podemos haber pasado por alto cómo los cambios sutiles en la composición química de las interfaces a nanoescala pueden desempeñar un papel en, por ejemplo, formación de hueso o difusión de fluoruro en el esmalte dental. A este respecto, La tomografía con sonda atómica tiene el potencial de revolucionar nuestro entendimiento ".

La tomografía de sonda atómica (APT) produce un átomo por átomo, Reconstrucción tridimensional de una muestra con resolución subnanométrica. Pero muchos en el campo no pensaron que APT funcionaría para analizar un material compuesto de partes orgánicas e inorgánicas.

Afortunadamente para Joester y Gordon, Northwestern tiene a David Seidman, un líder en el campo que usa APT para estudiar metales, y dos de los pocos instrumentos APT del país. (Hay menos de una docena). Seidman, Walter P. Murphy Profesor de Ciencia e Ingeniería de Materiales, animó a Joester a tomar el riesgo y utilizar APT para estudiar arquitecturas biológicas. Los científicos también pudieron intercambiar ideas con los ingenieros que desarrollan instrumentos de sonda atómica en 3D en CAMECA, una empresa de instrumentación científica en las cercanías de Madison, Wis.

Joester y Gordon tomaron imágenes de los dientes del quitón, un pequeño molusco marino, porque se sabe mucho sobre el proceso de biomineralización. El quitón vive en el mar y se alimenta de las algas que se encuentran en las rocas. Continuamente produce nuevas filas de dientes, una al día, para reemplazar los dientes maduros pero desgastados; en forma de cinta transportadora, los dientes más viejos bajan por la rádula en forma de lengua de la criatura hacia la boca donde se alimenta.

Los dientes de quitón se asemejan a los dientes humanos en que tienen una capa externa dura y resistente, equivalente a nuestro esmalte, y un núcleo más suave. En lugar de esmalte, los quitones masticadores de rocas usan magnetita, un óxido de hierro muy duro, que le da a sus dientes un brillo negro.

Los investigadores extrajeron muestras del tamaño de una micra del borde de ataque del diente. Usando una herramienta de haz de iones enfocado en las instalaciones centrales del Centro Experimental de Caracterización Atómica y a Nanoescala de la Universidad Northwestern, estas muestras se moldearon en puntas muy afiladas (menos de 20 nanómetros de diámetro). El proceso recuerda a afilar un lápiz, aunque con una corriente sobrealimentada de iones de galio.

La técnica APT aplica un campo eléctrico extremadamente alto a la muestra; los átomos en la superficie se ionizan, volar y golpear un detector de imágenes (similar a los que se encuentran en los equipos de visión nocturna). Los átomos se eliminan átomo por átomo y capa por capa, como pelar una cebolla. Luego se utilizan métodos informáticos para calcular la ubicación original de los átomos, produciendo un mapa tridimensional o tomograma de millones de átomos dentro de la muestra.

Joester y Gordon ahora están estudiando el esmalte dental de un vertebrado y planean aplicar APT al hueso. que también está hecho de partes orgánicas e inorgánicas, para obtener más información sobre su estructura a nanoescala.