Northwestern University forskare har, för första gången, upptäckte ett sällsynt mineral gömt inuti tänderna på en chiton, en stor blötdjur som finns längs klippiga kuster. Innan denna märkliga överraskning, järnmineralet, kallas santabarbaraite, endast hade dokumenterats i stenar.

Den nya upptäckten hjälper till att förstå hur hela chitontanden – inte bara den ultrahårda, hållbar cusp – är designad för att tåla att tugga på stenar för att mata. Baserat på mineraler som finns i chitontänder, forskarna utvecklade ett bioinspirerat bläck för 3D-utskrift ultrahårt, styva och slitstarka material.

"Detta mineral har bara observerats i geologiska exemplar i mycket små mängder och har aldrig tidigare setts i ett biologiskt sammanhang, " sa Northwesterns Derk Joester, studiens seniorförfattare. "Den har hög vattenhalt, vilket gör den stark med låg densitet. Vi tror att detta kan göra tänderna hårdare utan att tillföra mycket vikt."

Studien kommer att publiceras veckan den 31 maj i Proceedings of the National Academy of Sciences .

Joester är docent i materialvetenskap och teknik vid Northwesterns McCormick School of Engineering. Linus Stegbauer, en före detta postdoktor vid Joesters laboratorium, är tidningens första författare. På Northwestern under forskningen, Stegbauer är nu huvudforskare vid Institute of Interfacial Process Engineering and Plasma Technology vid universitetet i Stuttgart i Tyskland.

Ett av de hårdaste kända materialen i naturen, chiton tänder är fästa på en mjuk, flexibel, tungliknande radula, som skrapar över stenar för att samla alger och annan mat. Efter att länge ha studerat chiton-tänder, Joester och hans team vände sig senast till Cryptochiton stelleri, en jätte, rödbrun chiton som ibland kärleksfullt kallas den "vandrande köttfärslimpan".

För att undersöka en tand från Cryptochiton stelleri, Joesters team samarbetade med Ercan Alp, en senior forskare vid Argonne National Laboratory's Advanced Photon Source, att använda anläggningens synkrotron Mössbauer-spektroskopi samt med Paul Smeets att använda transmissionselektronmikroskopi vid Northwestern University Atomic and Nanoscale Characterization and Experiment (NUANCE) Center. De hittade santabarbarait spridd över chitonens övre penna, en lång, ihålig struktur som förbinder tandhuvudet med det flexibla radulamembranet.

"Pennen är som roten till en mänsklig tand, som förbinder vår tands spets med vår käke, " Sa Joester. "Det är ett tufft material som består av extremt små nanopartiklar i en fibrös matris gjord av biomakromolekyler, liknar ben i vår kropp."

Joesters grupp utmanade sig själv att återskapa detta material i ett bläck designat för 3D-utskrift. Stegbauer utvecklade ett reaktivt bläck som består av järn- och fosfatjoner blandade i en biopolymer som härrör från kitinet. Tillsammans med Shay Wallace, en doktorand i Northwestern i Mark Hersams laboratorium, Stegbauer fann att bläcket tryckte bra när det blandades omedelbart före utskrift.

"När nanopartiklarna bildas i biopolymeren, det blir starkare och mer trögflytande. Denna blandning kan sedan lätt användas för tryckning. Efterföljande torkning i luft leder till det hårda och styva slutmaterialet, " sa Joester. Joester tror att vi kan fortsätta att lära av och utveckla material inspirerade av chitonens stylus, som förbinder ultrahårda tänder till en mjuk radula.

"Vi har varit fascinerade av chiton under lång tid, " sa han. "Mekaniska strukturer är bara så bra som deras svagaste länk, så det är intressant att lära sig hur chiton löser det tekniska problemet med hur man kopplar sin ultrahårda tand till en mjuk underliggande struktur. Detta är fortfarande en betydande utmaning inom modern tillverkning, så vi tittar på organismer som chiton för att förstå hur detta görs i naturen, som har haft ett par hundra miljoner år av ledtid att utvecklas."