Vetenskaplig upptäckt kan komma var som helst, men få forskare kan säga att svaren på deras frågor kommer från de ärtstora benen i huvudet på en sex fot lång, 200 pund förhistorisk sötvattenfisk.

I en unik koppling av biologi och neutronvetenskap, forskare från Department of Energy's Oak Ridge National Laboratory har fått nya insikter om vattenbiokemi med hjälp av otoliterna i sjöstörren, Acipenser fulvescens.

Otoliter är små öronben i fisk som används för hörsel och balans, består av polymorfer, eller former, kalciumkarbonat kallat kalcit, aragonit och vaterit.

Vaterite är den sällsynta och minst stabila av polymorferna, är ändå ett mycket eftertraktat biomaterial som tillsats i papper, plast, kosmetika och biomedicinska produkter som nanokapslar som levererar läkemedel. Trots detta stora intresse, vaterit förblir en mystisk substans:Forskare har föreslagit mer än ett dussin modeller av dess dåligt förstådda kristallina struktur.

De flesta fiskoljor är gjorda av aragonit, men några primitiva fiskarter, nämligen stör, har vaterit otoliter. Tidigare studier av störtorolit rapporterade kalcitfraktioner, eller innehåll, men antingen avfärdades som misstag eller som biprodukter av bevarande, som man antog kunde otoliterna endast vara ren vaterit.

Brenda Pracheil, en vattenlevande ekolog vid ORNL:s miljövetenskapliga avdelning, samarbetade med Bryan Chakoumakos, en neutronforskare i laboratoriets division Quantum Condensed Matter, för att ta en djupare titt på stör -otoliter med en ny teknik som sällan ses inom vattenbiologi.

Med hjälp av neutrondiffraktion, paret visade att otoliterna innehöll både vaterit- och kalcitfraktioner och validerade en kristallin strukturell modell av vaterit för att främja förståelsen av den sällsynta polymorfen.

"Vi tillämpar materialvetenskapliga tekniker för att studera otoliter, "Chakoumakos sa." Vi försöker lägga till lite noggrannhet och introducera nya tekniker inom detta framväxande forskningsområde. "

Trots sin höga upplösning och användarvänlighet, neutrondiffraktion hade aldrig använts för att undersöka polymorfkompositionen hos otoliter. Det är nästan omöjligt att skilja mellan polymorfer genom syn, och tekniker som Raman -spektroskopi provar endast ytan på otoliten. Röntgendiffraktion kan hitta den genomsnittliga polymorfkompositionen, men kräver att provet mals till pulver, förstör otolitens naturliga kristallorientering och integritet.

"Det fina med neutroner är att vi enkelt och icke -destruktivt kan få en ögonblicksbild av hela otoliten och bevara den för andra mätningar, "Sa Chakoumakos.

Kol- och syreatomer sprider också neutroner starkare än röntgenstrålar, låta laget undersöka karbonatgruppen av vaterit med större tydlighet. Deras data passar bäst en strukturell modell som bekräftas av röntgendiffraktionsexperiment, förminska området för föreslagna strukturer till en tillförlitlig modell.

Otolith -studien understryker potentialen för nya samarbeten mellan forskargrupper med kompatibla vetenskapliga mål.

"Det är ett ganska bra samarbete eftersom jag inte visste något om andra fiskar än att jag gillar att fånga dem med min flugspö, "Sa Chakoumakos." Jag hade slumpmässigt gjort en neutrondiffraktion på otoliter som jag hade samlat. Jag visste att det hade kommit rapporter om att vissa var vaterit och jag ville studera det materialet eftersom strukturen var okänd. "

Chakoumakos hörde talas om Pracheils arbete med otolitmikrokemi och kontaktade henne med en idé att studera vateriten i störtorolit med neutrondiffraktion. Sedan dess, deras arbete har utnyttjat Pracheils expertis inom störtorolit och Chakoumakos erfarenhet av instrumenten vid Spallation Neutron Source och High Flux Isotope Reactor, som är DOE Office of Science användarfaciliteter.

"Det har inte varit mycket samarbete mellan miljö- och neutronvetenskap, men det finns många applikationer för vad vi gör, "Sa Pracheil." Det finns så många nya verktyg hela tiden, men de betyder ingenting om du inte vet hur de kommer att svara på dina forskningsfrågor. "

Nästa steg för laget är att komplettera sina neutronförsök med elektronbackspridande diffraktion och röntgenmikrofluorescens för att generera rumsliga kartor för att bättre förstå hur skillnader i polymorfkomposition påverkar spårelementfördelning i otoliter.

"Detta är verkligen revolutionerande inom mikrokemi eftersom det säger att vi måste betrakta dessa polymorfer som inte bara något trivialt, "Sa Pracheil." Det finns mycket där och vi kliar bara på ytan. "

Efter att ha fått så mycket kunskap om de små otoliterna genom dessa nya tekniker, laget kan se ännu större frågor inom vattenekologi, fiskeriförvaltning och evolutionär biologi för andra forskare att utforska.

"Jag tycker det är riktigt coolt, som biolog, att vi kunde ta denna konstiga förhistoriska fisk och validera modeller och empiriskt beskriva denna tidigare okända kristallstruktur med nya tekniker, "Sa Pracheil." Det öppnade mina ögon för hur viktiga dessa materialvetenskapliga tekniker är för vårt grundläggande arbete. "