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:

  1. С помощью фокусированного ионно-лучевого микроскопа взяли крошечный образец-иглу с кончика зуба муравья.
  2. 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.