Tudomány

Hogyan kapta meg a „vándor fasírt” kőkemény fogait

A gumboot chiton nem elbűvölő lény. A nagy, rögös puhatestű kúszik a Csendes-óceán partjának vize mentén, vörösesbarna testét felfelé és lefelé húzva a partvonalon. Néha, nem alaptalanul, „vándor fasírként” ismerik. De a chiton igénytelen teste apró, de félelmetes fogak sorozatát rejti. Ezek a fogak, amelyeket a lény az algák kőzetekből történő lekaparására használ, az egyik legnehezebb anyag, amelyről ismert, hogy egy élő szervezetben létezik.

Most egy tudóscsoport meglepő összetevőt fedezett fel a chiton kőkemény fogazatában: egy ritka, vasalapú ásványi anyagot, amelyet korábban csak a tényleges kőzetekben találtak. Az erős, de könnyű ásvány apró részecskéi segítenek megkeményíteni a puhatestű fogainak gyökerét, a kutatók beszámoltak róla hétfőn a PNAS folyóiratban.

A felfedezés segíthet a mérnököknek újfajta anyagok megtervezésében, állítják a tudósok, akik elvi bizonyítékot nyújtottak egy új, chiton által inspirált tinta létrehozásával a 3D-s nyomtatók számára.

A chiton úgy táplálkozik, hogy rugalmas, szalagszerű nyelvét, amelyet radulának neveznek, az algákkal borított sziklák mentén söpri. Ultrasúlyú fogai sorban helyezkednek el a puha radula mentén. Egy hosszú, üreges cső, amelyet tollnak neveznek, minden fogat a radulához rögzít.

A tudósok korábban felfedezték, hogy a chiton fogak teteje magnetit nevű vasércet tartalmaz, de kevésbé tudtak a toll összetételéről. “Tudtuk, hogy a fog felső részében vas van” – mondta Linus Stegbauer, a németországi Stuttgarti Egyetem anyagtudósa és a cikk első szerzője. – De a gyökérszerkezetben fogalmunk sem volt arról, mi folyik odabent.

Az új tanulmányban a kutatók különféle fejlett képalkotási technikák, köztük többféle spektroszkópia segítségével elemezték a chiton fogakat, amelyek lehetővé teszik a tudósok számára, hogy megismerjék az anyag kémiai és fizikai tulajdonságait, megfigyelve, hogy kölcsönhatásba lépnek a fénnyel és más típusú elektromágneses sugárzásokkal.

A tapintó azt találták, hogy valamilyen vasalapú ásvány apró részecskéit tartalmazta egy lágyabb mátrixban. (A mátrix kitinből készül, amely vegyület a rovarok és rákok exoskeletonjait alkotja.)

További elemzés után döbbenten tapasztalták, hogy az ásványi részecskék santabarbarait, egy ásványi anyag, amelyet még soha nem figyeltek meg élőlényekben. “Meglepetések egész sora volt, aztán csak gurultak tovább” – mondta Derk Joester, az Északnyugati Egyetem vezető szerzője és anyagtudósa.

A Santabarbaraite kemény ásvány, de kevesebb vasat és több vizet tartalmaz, mint a magnetit, ami kevésbé sűrűvé teszi. Az ásványi anyag lehetővé teheti a chiton számára, hogy erős, könnyű fogakat építsen, miközben csökken a vasra való támaszkodás. “A vas fiziológiailag ritka anyag” – mondta Dr. Joester.

A kutatók azt is felfedezték, hogy a santabarbarait részecskék nem oszlottak el egyenletesen az egész tollon. Ehelyett a felső részre koncentrálódtak, legközelebb a fog felületéhez, és alul ritkultak, ahol a toll a puha radulához kapcsolódott. Ez az eloszlási minta gradienst hozott létre, így a toll felülről merevebb és keményebb, alul hajlékonyabb lett.

“A szervezet hatalmas térbeli ellenőrzést gyakorol az ásványi anyag hova jutása felett” – mondta Dr. Joester. – És gondolom, ez igazán arra késztette bennünket, hogy arra gondoljunk, hogyan lehet ezt felhasználni anyagok készítéséhez. Ha a szervezet képes ezt mintázni, tehetünk ugyanezt? ”

A kutatók úgy döntöttek, hogy megpróbálnak létrehozni egy új 3D-nyomtató „tintát”, amelyet a chiton fog ihletett. A kitinhez hasonló vegyülettel kezdték, majd két folyadékot adtak hozzá: az egyik vasat és a másik foszfátot tartalmazott. Az összetevők összekeverésével vastag paszta keletkezett, amelyet a santabarbaraitához hasonló ásványi anyag apró részecskéivel vontak be. “És akkor készen áll a kinyomtatásra – egyszerűen átviheti a 3D-s nyomtatójába” – mondta Dr. Stegbauer.

A tinta száradás közben megkeményedett, de végső fizikai tulajdonságai attól függtek, hogy mennyi vasat és foszfátot adtak a keverékhez. Minél többet adtak hozzá, annál több nanorészecske képződött, és annál merevebb és keményebb lett a végső anyag. A recept ilyen módon történő módosításával a kutatók olyan tárgyakat hozhatnak létre, amelyek rugalmasak és gumiszerűek, mint egy tintahal, vagy olyan merevek és kemények, mint a csont.

“Lehetővé kell tenni a tinta keverését olyan arányban, amelyet közvetlenül a nyomtatás előtt meg lehet változtatni” – mondta Dr. Joester. – Ez pedig lehetővé tenné, hogy menet közben megváltoztassa az összetételt, a nanorészecskék mennyiségét, és ezáltal az anyag erősségét. Ez azt jelenti, hogy olyan anyagokat nyomtathat, ahol az erősség drámaian változik, viszonylag rövid távolságokon.

A technika hasznos lehet a puha robotika virágzó területén, lehetővé téve a mérnökök számára, hogy egyes helyeken kemény és merev, máshol puha és hajlékony gépeket alkossanak, Dr. Joester elmondta: „Szerintem elképesztő lenne, ha az összes ezeknek a gradienseknek a szerkezetbe. ”