Entonces, Pensaste que el gran tiburón blanco ficticio devorador de personas en la película "Tiburón" tenía una mordedura poderosa.

Pero no pase por alto la poderosa boca del pez loro:sus dientes resistentes le permiten masticar coral durante todo el día. finalmente masticarlo y molerlo a través de la digestión hasta convertirlo en arena fina. Así es:su "pico" crea playas. Un solo pez loro puede producir cientos de libras de arena cada año.

Ahora, Un estudio realizado por científicos, incluidos los del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley del Departamento de Energía (Berkeley Lab), ha revelado una microestructura tejida similar a una cota de malla que le da a los dientes de pez loro su notable mordedura y resistencia.

La estructura natural que observaron también proporciona un modelo para crear materiales sintéticos ultraduraderos que podrían ser útiles para componentes mecánicos en electrónica. y en otros dispositivos que se someten a movimientos repetitivos, abrasión, y estrés de contacto.

Matthew Marcus, un científico del personal que trabaja en la fuente de luz avanzada (ALS) de Berkeley Lab, una fuente de rayos X conocida como fuente de luz de sincrotrón que fue parte integral del estudio del pez loro, se sintió intrigado por el pez loro durante una visita de 2012 a la Gran Barrera de Coral frente a la costa. de Australia.

Un video de la vida marina que vio en un barco turístico le recordó el papel del pez loro en la descomposición de los corales en arena fina. Se alimentan principalmente de los pólipos y las algas que viven en la superficie de los esqueletos de coral. y ayudar a limpiar los arrecifes. La dureza de los dientes del pez loro medidos cerca de la superficie de mordedura es de aproximadamente 530 toneladas de presión por pulgada cuadrada, equivalente a una pila de aproximadamente 88 elefantes africanos, comprimidos en una pulgada cuadrada de espacio.

"Me recordó que este es un pez que mastica coral todo el día, y es responsable de gran parte de la arena blanca de las playas, "Dijo Marcus." ¿Pero cómo puede este pez comer coral y no perder sus dientes? "

De vuelta en la ALS, Marcus le preguntó a Pupa Gilbert, una biofísica y profesora en el Departamento de Física de la Universidad de Wisconsin-Madison que estudia cómo los seres vivos producen minerales, si estaba interesada en estudiar los dientes del pez loro.

Gilbert dijo que "respondió con entusiasmo" al desafío. Lideró un equipo internacional en el estudio, recibir picos de pez loro de colaboradores en la Polinesia Francesa. Sus colaboradores de la Universidad Técnica de Nanyang en Singapur - Ali Miserez, un profesor asociado que estudia materiales biológicos con propiedades únicas, y su grupo - realizaron mediciones mecánicas para el estudio. Gilbert llevó a cabo la mayoría de los estudios estructurales para comprender cómo funcionan los dientes del pez loro.

Marcus fue el primer autor de este último estudio, dirigido por Gilbert y publicado en línea el 20 de octubre en la revista ACS Nano . Gilbert había incluido previamente a Marcus en uno de sus estudios que se enfocaba en nácar, el resistente a la fractura, Recubrimiento iridiscente conocido como nácar que recubre el interior de algunas conchas de moluscos. El nácar ha inspirado el trabajo de I + D para imitar sus propiedades de resistencia utilizando materiales sintéticos.

Este y otros estudios similares se han basado en una técnica conocida como mapeo PIC (contraste de imágenes dependiente de la polarización), que Gilbert inventó y continúa desarrollando en la ALS. En el mapeo PIC, la polarización de los rayos X se rota para permitir el análisis y la visualización de la orientación de los cristales a nanoescala en nácar y otros biominerales.

"El ALS es el primer lugar donde se realizó el mapeo PIC, ", dijo Gilbert." Se puede comprender de un vistazo cómo se orienta cada nanocristal en una imagen determinada ".

Ella añadió, "Si está mirando un diente, o un hueso, o una concha de molusco, o un trozo de coral, esto es superinteresante. Te dice cómo se organizan los nanocristales entre sí. Puedes ver estas hermosas imágenes que se ven mejor que el arte abstracto, y aprenda cómo se forman y funcionan los biominerales ".

En este último estudio, Gilbert, Marcus, y Miserez quería ver cómo la fina estructura cristalina de los dientes de pez loro contribuye a su increíble fuerza. Los investigadores pudieron visualizar la orientación de cristales individuales, que mostraba su estructura intrincadamente tejida.

Fluorapatito, el mineral responsable de la estructura cristalina de los dientes de pez loro, contiene calcio, flúor, fosforoso, y oxigeno.

El estudio mostró que los cristales de fluorapatita que dan a los dientes de pez loro su fuerza miden cada uno alrededor de 100 nanómetros (mil millonésimas de metro) de ancho y varias micras (millonésimas de metro) de largo. y se ensamblan en paquetes entretejidos. Los haces disminuyen en diámetro promedio de aproximadamente 5 micrones a aproximadamente 2 micrones hacia la punta de cada diente.

Si bien el esmalte dental de muchas especies diferentes de animales puede parecer similar a los microscopios convencionales, Gilbert señaló que estas imágenes pueden pasar por alto la orientación única de los cristales en la estructura del esmalte de los dientes. Y la orientación del cristal, ella dijo, "cuenta una gran historia sobre cómo diferentes dientes se especializan para diferentes funciones".

En el caso del pez loro, las filas de dientes en continuo crecimiento, que forman una estructura parecida a un pico que reemplaza constantemente a los dientes gastados con dientes nuevos, también son parte integral de su comportamiento alimentario especializado. Solo los quitones tienen dientes más duros que los peces loro, Gilbert dijo:y ningún otro biomineral es más rígido que los dientes de pez loro en la punta que muerde.

"Los dientes de pez loro son los biominerales más geniales de todos, "Dijo Gilbert." Son los más rígidos, entre los mas duros, y el más resistente a la fractura y a la abrasión jamás medido. "Los peces loro tienen alrededor de 1, 000 dientes situados en unas 15 filas, y cada diente está cementado a todos los demás y rodeado de hueso para formar un pico sólido:dientes de tiburón, por el contrario, no están interconectados de esta manera.

Las medidas mecánicas para el estudio, que se centró en muestras de dientes de un pez loro cabeza empinada (Chlorurus microrhinos), encontró que la dureza y la rigidez aumentan hacia la punta de cada diente. Los experimentos de mapeo PIC en el ALS revelaron que a medida que aumenta la dureza y la rigidez, el diámetro de los haces de cristales se estrecha.

Además del estudio de mapeo PIC, que utilizó una herramienta conocida como microscopio electrónico de fotoemisión (PEEM) en la ALS, Los experimentos de ALS separados utilizaron una tecnología de imágenes en 3-D conocida como microtomografía de rayos X y otro método de rayos X conocido como microdifracción para analizar más a fondo las orientaciones de los cristales y las deformaciones de los dientes.

"La característica entrelazada y las orientaciones de los cristales están completamente abiertas para ser exploradas para la producción de materiales sintéticos, "dijo Gilbert." Tejer es una de las cosas más antiguas que la gente ha aprendido a hacer. Podrías pensar en tejer cristales, como los cristales se vuelven flexibles cuando son muy delgados ".

Ya, Gilbert señaló, Hay muchos esfuerzos bien desarrollados para replicar la estructura del esmalte humano utilizando métodos de nanofabricación.

Gilbert y Marcus sugirieron que los experimentos futuros en la ALS podrían centrarse en un conjunto separado de dientes (dientes faríngeos) que descomponen aún más los trozos de coral en las gargantas de los peces loro.

"El cielo es el límite en este punto, "Dijo Gilbert." Esta primera observación de las propiedades mecánicas es emocionante, y ahora se puede trabajar mucho más en las propiedades estructurales ".