Acanthopleura hirtosa chiton radula. A rádula completa é composta por 73 dentes com vários estágios de mineralização. A imagem acima mostra os dentes antes e depois do início da mineralização de magnetita. A cor amarelo / laranja surge da transformação de fase de uma forma de ferro (ferrihidrita) para outra (magnetita). Crédito:Jeremy Shaw, Universidade da Austrália Ocidental
A biologia nos fornece uma fonte constante de inspiração para projetar e explorar novos materiais funcionais.
O velcro, por exemplo, surgiu de como rebarbas de plantas se prendem às roupas, e o nariz dos trens-bala segue o desenho do bico do Kingfisher. A ciência de adaptar designs de naturezas para resolver desafios complexos de engenharia é conhecida como biomimética.
Agora, nossa equipe de pesquisa da Universidade de Melbourne, a University of Western Australia e a University of California, Riverside, transformaram-se em um molusco marinho comum, o quitão, para obter dicas sobre como fazer engenharia leve, materiais duros e resistentes à abrasão de uma forma limpa e com eficiência energética.
O quíton Acanthopleura hirtosa, encontrados nas zonas entre marés da costa da Austrália, Mineraliza seus próprios dentes usando ferro extraído da água do mar para criar um revestimento dentário de magnetita. Esta substância é o biomineral mais difícil conhecido, mais resistente do que o aço inoxidável.
Os dentes magnéticos do quitão lembram colheres cobertas de ferro montadas em um órgão semelhante a uma esteira rolante, conhecido como rádula. Novos dentes são produzidos constantemente para substituir os desgastados enquanto se alimentam de algas encontradas nas rochas onde pastam.
Esperamos aprender e adaptar os princípios de design da estratificação mineral nos dentes de quíton para oferecer baixo custo, materiais funcionais com eficiência energética que podem ser aplicados em aplicações industriais, incluindo revestimentos de superfície na construção, mineração e aplicações médicas, agentes de contraste para imagens médicas e purificação de água.
A magnetita é atualmente produzida usando técnicas de uso intensivo de energia usando altas temperaturas e ácidos fortes e produtos químicos básicos. Em contraste, A chiton evoluiu e otimizou este processo para montar materiais superiores na água do mar a 15-20 ° C, extraindo ferro de seus arredores de água do mar.
A rebarba de bardana enganchada nas roupas foi a inspiração para o velcro. Crédito:Shutterstock
Um dos aspectos mais difíceis da biomimética é entender os blocos de construção fundamentais e os processos de crescimento mineral que são usados na natureza.
Ao aplicar novas técnicas de microscopia magnética, foi pioneira na Universidade de Melbourne, nossa equipe foi capaz de estudar como esses animais começam a montar esses materiais únicos em nanoescala.
A técnica de imagem usa uma folha fina de cristal de diamante sintético com cerca de quatro milímetros quadrados. Para criar os sensores, removemos dois átomos de carbono da estrutura usual do diamante, substituindo-os por um átomo de nitrogênio e deixando um espaço atômico, ou vaga, onde o outro átomo de carbono deveria estar.
A combinação do átomo de nitrogênio, a vacância e um elétron adicional criam o chamado defeito de vacância de nitrogênio (NV), que atua como o sensor.
Quando a luz verde de um microscópio óptico é iluminada sobre a superfície do diamante, os defeitos NV refletem a luz vermelha, cuja intensidade depende do campo magnético local.
Os defeitos NV são incrivelmente sensíveis e podem detectar campos magnéticos um milhão de vezes mais fracos do que o seu ímã de geladeira padrão.
Essa sensibilidade nos permite localizar a fonte do campo magnético dos biominerais de ferro, e correlacionar sua posição dentro do dente.
Usando o microscópio magnético de diamante, agora produzimos a primeira imagem magnética de dentes de quíton nos estágios iniciais de mineralização. O campo magnético foi fotografado a partir de nanopartículas de magnetita, bem como seu precursor biomineral de ferro, ferrihidrita.
Imagem de microscopia magnética 2-D de um único dente de quíton de Acanthopleura Hirtosa. A escala de cores representa a força do campo magnético que emana do dente e as setas indicam a direção do campo magnético das nanopartículas de magnetita. Crédito:Universidade de Melbourne
Os mapas nos permitem visualizar o padrão de mineralização usado pelo quitônio para converter ferrihidrita em magnetita nos dentes em desenvolvimento, com resolução de imagem cem vezes menor que a largura de um fio de cabelo humano.
O que vemos é que os dentes recrutam ferridrita de ambos os lados anterior e posterior dos dentes (das superfícies frontal e posterior do dente) para conduzir a mineralização da magnetita.
Mais interessante, quando olhamos para o campo magnético das nanopartículas de magnetita, descobrimos que os domínios magnéticos da magnetita estão alinhados e ordenados em toda a seção do dente.
Esta foi uma descoberta inesperada e fascinante, uma vez que pesquisas anteriores usando microscopia eletrônica pareciam não mostrar nenhuma ordenação cristalográfica nestes materiais, no entanto, nossas imagens magnéticas mostram que as nanopartículas de magnetita individuais que emergem nos estágios iniciais de mineralização exibem um alto grau de ordem magnética.
Isso levanta a questão:o magnetismo está envolvido na automontagem desses materiais ultraduros?
Para ajudar a responder isso, nossa equipe se concentrará na aplicação da tecnologia de microscopia magnética a análogos sintéticos de imagem na esperança de compreender como as propriedades magnéticas impactam a automontagem da magnetita. Esperamos que este novo conhecimento possa levar à produção de novos materiais magnéticos bioinspirados com propriedades aprimoradas.
Aprender com a natureza é desafiador, mas a nova tecnologia está ajudando a desvendar seus segredos. Nossa pesquisa é mais um exemplo de como a tecnologia quântica pode ser usada para explorar o complexo mundo da biologia.
