Атомарная визуализация показала, как муравьи используют цинк для заточки зубов
Исследование, опубликованное в журнале Scientific Reports (Nature), впервые показало, как атомы цинка расположены в зубах муравьёв для максимальной режущей эффективности и поддержания остроты этих микроскопических инструментов. Работа выполнена совместно учёными из Университета Орегона и Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории (PNNL) Министерства энергетики США.
Строение зуба муравья
- Специализированные структуры: У муравьёв есть зубы («мандибулярные зубы»), прикреплённые снаружи рта.
- Ключевой компонент: Эти зубы состоят из сетки материала, которая прочно связывает отдельные атомы цинка.
- Высокая концентрация: Цинк составляет более 8% от веса зуба.
Метод исследования
Чтобы увидеть структуру на атомном уровне, учёные применили атомно-зондовую томографию:
- С помощью фокусированного ионно-лучевого микроскопа взяли крошечный образец-иглу с кончика зуба муравья.
- Просканировали его методом атомно-зондовой томографии, что позволило определить расположение отдельных атомов.
Результат: Цинк был равномерно распределён по всему зубу, что стало неожиданностью для исследователей, ожидавших увидеть его скопления в виде наноузелков.
Преимущества биоматериала
Благодаря такой структуре инструменты из биоматериалов становятся острее, что даёт животным значительные преимущества:
- Экономия силы: Для разрезания или прокола требуется примерно на 60% меньше усилий, чем если бы их инструменты были сделаны из материала, подобного человеческой эмали.
- Экономия энергии: Меньшим мышцам нужно тратить меньше энергии. Это может объяснять, почему подобные специализированные инструменты есть у пауков, насекомых, червей, ракообразных и многих других организмов.
Инженерные перспективы
- Повышение твёрдости: Добавление цинка увеличивает твёрдость зуба муравья от уровня пластика до уровня алюминия.
- Изучение принципов: Понимание природы на атомном уровне помогает создавать более прочные и устойчивые к повреждениям материалы.
- Применение: Исследование атомной структуры материалов, например, стали, важно для проектирования долговечных конструкций, таких как атомные электростанции, которые должны выдерживать старение в течение многих десятилетий.
