Acanthopleura hirtosa chiton radula. Den fullständiga radulan består av 73 tänder med olika stadier av mineralisering. Bilden ovan visar tänderna före och efter starten av magnetitmineralisering. Den gula/orange färgen uppstår från fasomvandlingen från en form av järn (ferrihydrit) till en annan (magnetit). Kredit:Jeremy Shaw, University of Western Australia
Biologi ger oss en ständig inspirationskälla för att designa och utforska nya funktionella material.
Kardborreband uppstod till exempel från hur växtgrader hakar fast på kläder, och näsan på kultåg följer designen av en Kingfishers näbb. Vetenskapen om att anpassa naturens design för att lösa komplexa tekniska utmaningar kallas biomimik.
Nu, vårt forskarteam från University of Melbourne, University of Western Australia och University of California, Riverside, har förvandlats till en vanlig havsmollusk, chiton, för ledtrådar om hur man konstruerar lättvikt, hårda och nötningsbeständiga material på ett rent och energieffektivt sätt.
Chiton Acanthopleura hirtosa, som finns i tidvattenzonerna vid Australiens kustlinje, mineraliserar sina egna tänder med hjälp av järn extraherat ur havsvatten för att skapa en magnetittandbeläggning. Detta ämne är det hårdaste kända biomineralet, hårdare än rostfritt stål.
Chitonens magnetiska tänder liknar järnklädda skedar monterade i ett transportbandsliknande organ, känd som radula. Nya tänder produceras ständigt för att ersätta de som nöts bort när de livnär sig på alger som finns i klipporna där de betar.
Vi hoppas kunna lära oss och anpassa designprinciperna för mineralskiktning i chitontänderna för att leverera till låg kostnad, energieffektiva funktionella material som kan appliceras i industriella applikationer inklusive ytbeläggningar i konstruktion, gruvdrift och medicinska tillämpningar, kontrastmedel för medicinsk bildbehandling och vattenrening.
Magnetit produceras för närvarande med energikrävande tekniker med höga temperaturer och starka syra- och baskemikalier. I kontrast, chiton har utvecklat och optimerat denna process för att montera överlägsna material i havsvatten vid 15-20 °C, genom att utvinna järn från sina havsvattenomgivningar.
Kardborre som hakat på kläder var inspirationen till kardborreband. Kredit:Shutterstock
En av de svåraste aspekterna av biomimik är att förstå de grundläggande byggstenarna och mineraltillväxtprocesserna som används i naturen.
Genom att tillämpa nya magnetiska mikroskopitekniker, pionjär vid University of Melbourne, vårt team kunde studera hur dessa djur börjar sätta ihop dessa unika material i nanoskala.
Bildtekniken använder ett tunt ark av syntetisk diamantkristall på cirka fyra millimeter i kvadrat. För att skapa sensorerna tar vi bort två kolatomer från den vanliga diamantstrukturen, ersätta dem med en kväveatom och lämna ett atomrum, eller vakans, där den andra kolatomen ska vara.
Kombinationen av kväveatomen, vakansen och en extra elektron skapar den så kallade kvävevakansdefekten (NV), som fungerar som sensor.
När grönt ljus från ett optiskt mikroskop lyser på diamantytan reflekterar NV-defekterna tillbaka rött ljus, vars styrka är beroende av det lokala magnetfältet.
NV-defekterna är otroligt känsliga och kan detektera magnetfält en miljon gånger svagare än din vanliga kylskåpsmagnet.
Denna känslighet tillåter oss att lokalisera källan till magnetfältet från järnbiomineralerna, och korrelera dess position i tanden.
Med hjälp av det magnetiska diamantmikroskopet, vi har nu tagit fram den första magnetiska bilden av chitontänder i de tidiga stadierna av mineralisering. Magnetfältet avbildades från magnetitnanopartiklar såväl som dess prekursor järnbiomineral, ferrihydrit.
2-D magnetisk mikroskopibild av en enda Acanthopleura Hirtosa chiton-tand. Färgskalan representerar styrkan på det magnetiska fältet som kommer från tanden och pilarna anger riktningen för magnetfältet från magnetitnanopartiklarna. Kredit:University of Melbourne
Kartorna tillåter oss att visualisera mineraliseringsmönstret som används av kitonet för att omvandla ferrihydrit till magnetit i de utvecklande tänderna, med bildupplösning hundra gånger mindre än bredden på ett människohår.
Det vi ser är att tänderna rekryterar ferrihydrit från både fram- och baksidan av tänderna (från fram- och baksidan av tanden) för att driva magnetitmineraliseringen.
Mer intressant, när vi tittar på magnetfältet från magnetitnanopartiklarna, vi finner att de magnetiska magnetiska domänerna är inriktade och ordnade över hela tandsektionen.
Detta var ett oväntat och fascinerande fynd eftersom tidigare forskning med elektronmikroskopi verkade inte visa någon kristallografisk ordning i dessa material, emellertid visar våra magnetiska bilder att de individuella magnetitnanopartiklarna som dyker upp i de tidiga stadierna av mineralisering uppvisar en hög grad av magnetisk ordning.
Detta väcker frågan:Är magnetism involverad i självmonteringen av dessa ultrahårda material?
För att hjälpa till att svara på detta, vårt team kommer att fokusera på att tillämpa magnetmikroskopitekniken på bildsyntetiska analoger i hopp om att förstå hur de magnetiska egenskaperna påverkar magnetitens självmontering. Vi hoppas att denna nya kunskap kan leda till produktion av nya bioinspirerade magnetiska material med förbättrade egenskaper.
Att lära av naturen är utmanande, men ny teknik hjälper till att låsa upp dess hemligheter. Vår forskning är ytterligare ett exempel på hur kvantteknologi kan användas för att utforska biologins komplexa värld.
