Mineral de hierro raro de rocas encontrado en dientes de moluscos

Investigadores de la Universidad Northwestern han descubierto, por primera vez, un mineral raro escondido dentro de los dientes de un quitón, un gran molusco que se encuentra a lo largo de costas rocosas. Antes de esta extraña sorpresa, el mineral de hierro, llamado santabarbaraita, solo se había documentado en rocas.

El nuevo hallazgo ayuda a comprender cómo todo el diente de quitón, no solo la cúspide ultradura y duradera, está diseñado para soportar la masticación de rocas como alimento. A partir de minerales que se encuentran en los dientes del quitón, los investigadores desarrollaron una tinta bioinspirada para impresión 3D, rígida y ultradura. materiales duraderos.

“Este mineral sólo se ha observado en muestras geológicas en cantidades muy pequeñas y nunca antes se había visto en un entorno biológico”, dijo Derk Joester de Northwestern, autor principal del estudio. “Tiene un alto contenido de agua que lo hace fuerte con una baja densidad. Creemos que podría endurecer los dientes sin agregar mucho peso”.

El estudio se publicará la semana del 31 de mayo en el procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias.

Joester es profesor asociado de ciencia e ingeniería de materiales en la Escuela de Ingeniería McCormick en Northwestern. Linus Stegbauer, ex becario postdoctoral en el laboratorio de Joester, es el primer autor del artículo. En Northwestern durante la investigación, Stegbauer es ahora investigador principal en el Instituto de Ingeniería de Procesos Interfaciales y Tecnología de Plasma de la Universidad de Stuttgart en Alemania.

Uno de los materiales más duros conocidos en la naturaleza, los dientes de quitón están unidos a una rádula suave y flexible en forma de lengua, que raspa las rocas para recolectar algas y otros alimentos. Después de estudiar los dientes del quitón durante mucho tiempo, Joester y su equipo recurrieron recientemente a Cryptochiton stelleri, un quitón gigante de color marrón rojizo al que a veces se hace referencia cariñosamente como el “pastel de carne errante”.

Para examinar un diente de Cryptochiton stelleri, el equipo de Joester trabajó con Ercan Alp, científico principal de la fuente de fotones avanzada en el Laboratorio Nacional de Argonne, para utilizar la espectroscopia de sincrotrón Mössbauer de la instalación, así como con Paul Smeets. Microscopio de transmisión por electrones en el Centro de Experimentación y Caracterización Atómica y Nanoescala (NUANCE) de la Universidad Northwestern. Encontraron santabarbaraita esparcida por todo el estilete superior del quitón, una estructura larga y hueca que conecta la cabeza del diente a la membrana flexible de la rádula.

“El estilete es como la raíz de un diente humano, que conecta la cúspide de nuestro diente con la mandíbula”, dijo Joester. “Es un material resistente formado por nanopartículas extremadamente pequeñas en una matriz fibrosa formada por biomacromoléculas, similar a los huesos de nuestro cuerpo”.

El grupo de Joester asumió el desafío de recrear este material en una tinta diseñada para impresión 3D. Stegbauer ha desarrollado una tinta reactiva que comprende iones de hierro y fosfato mezclados en un biopolímero derivado de la quitina. Junto con Shay Wallace, un estudiante graduado de Northwestern en el laboratorio de Mark Hersam, Stegbauer descubrió que la tinta imprimía bien cuando se mezclaba justo antes de imprimir.

“A medida que las nanopartículas se forman en el biopolímero, se vuelve más fuerte y viscoso. Esta mezcla se puede usar fácilmente para imprimir. El secado al aire posterior conduce al material final duro y rígido”, dijo Joester. Joester cree que podemos seguir aprendiendo y desarrollando materiales inspirados en el lápiz chiton, que conecta los dientes ultraduros con una rádula suave.

“Hemos estado fascinados con el quitón durante mucho tiempo”, dijo. “Las estructuras mecánicas son tan buenas como su eslabón más débil, por lo que es interesante aprender cómo el quitón resuelve el problema de ingeniería de conectar su diente ultraduro a una estructura subyacente blanda. organismos como el quitón para comprender cómo se hace esto en la naturaleza, que ha tenido unos cientos de millones de años para desarrollarse. ”