Så, du trodde att den fiktiva folkätande vithajen i filmen "Jaws" hade ett kraftfullt bett.

Men förbise inte papegojfiskens mäktiga mun - dess tåliga tänder gör att den kan hacka på korall hela dagen, slutligen tugga och mala upp det genom matsmältning till fin sand. Det stämmer:Dess "näbb" skapar stränder. En enda papegojfisk kan producera hundratals pund sand varje år.

Nu, en studie av forskare - inklusive de vid Department of Energy's Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) - har avslöjat en ringbrynjeliknande vävd mikrostruktur som ger papegojfisktänder deras anmärkningsvärda bett och motståndskraft.

Den naturliga strukturen de observerade ger också en ritning för att skapa extremt hållbara syntetiska material som kan vara användbara för mekaniska komponenter inom elektronik, och i andra enheter som genomgår upprepade rörelser, abrasion, och kontaktstress.

Matthew Marcus, en forskare som arbetar vid Berkeley Labs Advanced Light Source (ALS) - en röntgenkälla känd som en synkrotronljuskälla som var en integrerad del av papegojfiskstudien - blev fascinerad av papegojfisk under ett besök 2012 i Great Barrier Reef utanför kusten av Australien.

En havslivsvideo han såg på en havsgående turbåt påminde honom om papegojfiskens roll i att bryta ner koraller till fin sand. De frossar främst på polyper och alger som lever på ytan av korallskelett, och hjälpa till att rensa upp rev. Hårdheten hos papegojfisktänder mätt nära bitytan är cirka 530 ton tryck per kvadrattum - motsvarande en stack på cirka 88 afrikanska elefanter - komprimerad till en kvadrattum av utrymmet.

"Jag blev påmind om att det här är en fisk som knastrar koraller hela dagen, och är ansvarig för mycket av den vita sanden på stränderna, sa Marcus. "Men hur kan den här fisken äta korall och inte tappa tänderna?"

Tillbaka vid ALS, Marcus frågade Pupa Gilbert – en biofysiker och professor vid fysikavdelningen vid University of Wisconsin-Madison som studerar hur levande varelser producerar mineraler – om hon var intresserad av att studera papegojfisktänderna.

Gilbert sa att hon "svarade entusiastiskt" på utmaningen. Hon ledde ett internationellt team i studien, tar emot papegojfisknäbbar från kollaboratörer i Franska Polynesien. Hennes medarbetare från Nanyang Technical University i Singapore - Ali Miserez, en docent som studerar biologiska material med unika egenskaper, och hans grupp - utförde mekaniska mätningar för studien. Gilbert genomförde de flesta strukturella studier för att förstå hur papegojfisktänder fungerar.

Marcus fungerade som första författare i den här senaste studien, ledd av Gilbert och publicerad online den 20 oktober i tidskriften ACS Nano . Gilbert hade tidigare inkluderat Marcus i en av hennes studier som fokuserade på pärlemor, den frakturtåliga, iriserande beläggning känd som pärlemor som kantar insidan av vissa blötdjursskal. Nacre har inspirerat FoU-arbete för att efterlikna dess hållfasthetsegenskaper med hjälp av syntetiska material.

Denna och liknande studier har förlitat sig på en teknik som kallas PIC (polarization-dependent imaging contrast) kartläggning, som Gilbert uppfann och fortsätter att utveckla vid ALS. I PIC-kartläggning, polariseringen av röntgenstrålar roteras för att möjliggöra analys och visning av kristallorientering i nanoskala i pärlemor och andra biomineraler.

"ALS är det första stället där PIC-kartläggning gjordes, sade Gilbert. "Du kan med ett ögonkast förstå hur varje nanokristall i en given bild är orienterad."

Tillade hon, "Om du tittar på en tand, eller ett ben, eller ett blötdjursskal, eller en bit korall, det här är superintressant. Den berättar hur nanokristaller är ordnade i förhållande till varandra. Du kan se dessa vackra bilder som ser bättre ut än abstrakt konst, och lär dig hur biomineraler bildas och fungerar."

I denna senaste studie, Gilbert, Marcus, och Miserez ville se hur den fina kristallstrukturen hos papegojfisktänder bidrar till deras otroliga styrka. Forskarna kunde visualisera orienteringen av enskilda kristaller, som visade deras intrikat vävda struktur.

Fluorapatit, mineralet som ansvarar för kristallstrukturen hos papegojfisktänder, innehåller kalcium, fluor, fosfor, och syre.

Studien visade att fluorapatitkristallerna som ger papegojfisktänder sin styrka var och en är cirka 100 nanometer (miljarddelar av en meter) breda och flera mikroner (miljondelar av en meter) långa, och sätts samman till sammanvävda buntar. Buntarna minskar i medeldiameter från cirka 5 mikron till cirka 2 mikron mot spetsen av varje tand.

Även om tandemalj från många olika djurarter kan likna konventionella mikroskop, Gilbert noterade att dessa bilder kan förbise den unika orienteringen av kristaller i tändernas emaljstruktur. Och kristallorienteringen, Hon sa, "berättar en stor historia om hur olika tänder är specialiserade för olika funktioner."

När det gäller papegojfisk, de ständigt växande tandraderna, som bildar en näbbliknande struktur som ständigt ersätter äldre, slitna tänder med nya tänder, är också en del av deras specialiserade matbeteende. Bara chitoner har hårdare tänder än papegojfiskar, Gilbert sa, och ingen annan biomineral är styvare än papegojfisktänder vid deras bitspets.

"Papegojfisktänder är de coolaste biomineralerna av alla, ", sa Gilbert. "De är styvare, bland de svåraste, och den mest motståndskraftiga mot fraktur och nötning som någonsin uppmätts." Papegojfiskar har cirka 1, 000 tänder placerade i cirka 15 rader, och varje tand är cementerad till alla de andra och omgiven av ben för att bilda en solid näbb - hajtänder, däremot är inte sammankopplade på detta sätt.

De mekaniska mätningarna för studien, som fokuserade på tandprover från en steephead papegojfisk (Chlorurus microrhinos), fann att hårdheten och styvheten ökar mot spetsen av varje tand. PIC-kartläggningsexperimenten vid ALS visade att när hårdheten och styvheten ökar, diametern på kristallbuntarna blir smalare.

Förutom PIC-kartläggningsstudien, som använde ett verktyg känt som ett fotoemissionselektronmikroskop (PEEM) vid ALS, separata ALS-experiment använde en 3-D-bildteknik känd som röntgenmikrotomografi och en annan röntgenmetod känd som mikrodiffraktion för att ytterligare analysera kristallorienteringarna och töjningarna av tänderna.

"Den sammanvävda egenskapen och kristallorienteringarna är helt öppna för att utforskas för produktion av syntetiska material, " sa Gilbert. "Vävning är en av de äldsta sakerna som folk har lärt sig hur man gör. Du kan tänka dig att faktiskt väva kristaller, eftersom kristaller blir flexibla när de är väldigt tunna."

Redan, Gilbert noterade, det finns många välutvecklade ansträngningar för att replikera strukturen hos mänsklig emalj med hjälp av nanotillverkningsmetoder.

Gilbert och Marcus föreslog att framtida experiment vid ALS kunde fokusera på en separat uppsättning tänder (faryngeala tänder) som ytterligare bryter ner korallbitar i papegojfiskhalsar.

"Himlen är gränsen vid det här laget, ", sa Gilbert. "Denna första observation av de mekaniska egenskaperna är spännande, och nu kan mycket mer arbete göras på de strukturella egenskaperna."