En blötdjurs tänder kan inte bara fånga och tugga mat för att vårda dess kropp, utan de marina hackarna har också insikter i att skapa avancerade, billigare och miljövänliga material.

David Kisailus, UC Irvine-professor, och doktorand Taifeng Wang, både i materialvetenskap och ingenjörsvetenskap, tog en närmare titt på de ultrahårda tänderna på Northern Pacific Cryptochiton stelleri eller gumboot chiton. Deras resultat publiceras i Small Structures April 2022 nummer.

"Fynden i vårt arbete är kritiska, eftersom det inte bara ger en förståelse för precisionen hos naturliga system i mineralisering för att bilda högpresterande arkitektonerade material, utan också ger insikter i bioinspirerade syntetiska vägar till en ny generation av avancerade material i en bred utbud av applikationer från slitstarka material till energilagringssystem", säger Kisailus.

Gumboot-kitoner är växtätande ryggradslösa djur som använder sina ultrahårda tänder för att skrapa och slipa algavlagringar från kustnära stenar. Kisailus team har tidigare funnit att dessa tänder är konstruerade av högriktade magnetiska nanorods, som ger styrka och motstånd. För att bättre förstå hur nanoroderna bildas använde Kisailus och kollegor nanostrukturell och kemisk analys av gumboot-kitonernas tänder under det tidiga mognadsskedet. Denna undersökning avslöjade, för första gången i naturliga system, att i tidiga stadier av tandutveckling styrde förmonterat organiskt fibröst material (kitin) bildandet av dessa stavar via en högordnad, mesokristallin järnoxid känd som ferrihydrit.

Ytterligare undersökning av de mesokristallina strukturerna avslöjade en sfärulitliknande arkitektur som ofta finns i semikristallina polymera material. Forskarna fastställde att var och en av dessa partiklar hade ett underliggande organiskt ramverk (dvs. fosforylerade proteiner kopplade med det förmonterade kitinet) som kontrollerade bildandet och tillväxten av dessa järnoxidpartiklar.

Ytterligare analys visade att ferrihydriten, en relativt instabil fas av järnoxid, så småningom omvandlades till mesokristallin magnetit (ett mer stabilt och magnetiskt material) via en skjuvningsinducerad fasomvandling. Den växte sedan till att bilda den slutliga formen av kontinuerliga ultrahårda magnetit nanorods i de fullt mogna tänderna via Ostwald-mognad, en process genom vilken mindre partiklar löses upp och återavsätts för att bilda större partiklar.

Eftersom dessa ultrahårda material syntetiseras vid nära rumstemperatur och under milda fysiologiska förhållanden, kan en förståelse för hur de bildas ge en låg kostnad och miljövänlig tillverkning av tekniska material med överlägsna egenskaper. + Utforska vidare

Magnetiska tänder lovar material och energi