p Dentes e ossos são estruturas importantes e complexas em humanos e outros animais, mas pouco se sabe sobre sua estrutura química em escala atômica. O que exatamente dá a eles sua renomada resistência, dureza e resistência? Como os organismos controlam a síntese desses compostos funcionais avançados? p Agora, usando uma ferramenta de imagem em escala atômica altamente sofisticada no dente de uma criatura do mar, dois pesquisadores da Northwestern University descobriram um pouco do mistério das interfaces orgânicas / inorgânicas que estão no cerne da estrutura do dente e do osso. Eles são os primeiros a produzir um mapa tridimensional da localização e identidade de milhões de átomos individuais no complexo material híbrido que permite ao animal literalmente mastigar rocha.

p Demonstrar que a tomografia por sonda atômica (APT) pode ser usada para interrogar tais materiais abre a possibilidade de rastrear flúor nos dentes e drogas contra o câncer e osteoporose nos ossos (em escalas de comprimento anteriormente inacessíveis). O conhecimento detalhado das interfaces orgânicas / inorgânicas também ajudará os cientistas a projetar racionalmente novos materiais úteis - eletrônicos flexíveis, polímeros e materiais nanocompósitos, como os fotovoltaicos orgânicos - que combinam as melhores propriedades dos materiais orgânicos e inorgânicos.

p Os resultados serão publicados em 13 de janeiro pela revista Natureza .

p "A interface entre os materiais orgânicos e inorgânicos desempenha um grande papel no controle de propriedades e estrutura, "disse Derk Joester, autor sênior do artigo. "Como os organismos fazem e controlam esses materiais? Precisamos entender essa arquitetura em nível de nanoescala para projetar novos materiais de forma inteligente. Caso contrário, realmente não temos ideia do que está acontecendo."

p Joester é o professor Morris E. Fine Junior de Materiais e Manufatura na McCormick School of Engineering and Applied Science. Lyle Gordon, um estudante de doutorado no laboratório de Joester, é o outro autor do artigo.

p Os dois começaram a encontrar as fibras orgânicas que sabiam ser uma parte importante da estrutura do dente, enterrado na dura camada externa do dente, feito de magnetita. Seu mapeamento quantitativo do dente mostra que as fibras à base de carbono, cada 5 a 10 nanômetros de diâmetro, também continha íons sódio ou magnésio. Joester e Gordon são os primeiros a ter uma prova direta da localização, dimensão e composição química das fibras orgânicas dentro do mineral.

p Eles ficaram surpresos com a heterogeneidade química das fibras, que sugere como os organismos modulam a química em nanoescala. Joester e Gordon estão ansiosos para aprender mais sobre como as fibras orgânicas se relacionam com os minerais inorgânicos, que é a chave para entender os materiais híbridos.

p "A tenacidade do dente vem dessa mistura de materiais orgânicos e inorgânicos e das interfaces entre eles, "Joester disse." Embora isso seja em princípio bem conhecido, é intrigante pensar que podemos ter esquecido como mudanças sutis na composição química de interfaces em nanoescala podem desempenhar um papel em, por exemplo, formação óssea ou difusão de flúor no esmalte dentário. A respeito disso, a tomografia por sonda atômica tem o potencial de revolucionar nossa compreensão. "

p A tomografia de sonda atômica (APT) produz um átomo por átomo, Reconstrução 3-D de uma amostra com resolução sub-nanométrica. Mas muitos no campo não achavam que o APT funcionaria para analisar um material feito de partes orgânicas e inorgânicas.

p Felizmente para Joester e Gordon, Northwestern tem David Seidman, um líder na área que usa APT para estudar metais, e dois dos poucos instrumentos APT do país. (Há menos de uma dúzia.) Seidman, Walter P. Murphy Professor de Ciência e Engenharia de Materiais, encorajou Joester a assumir o risco e usar o APT para estudar arquiteturas biológicas. Os cientistas também puderam trocar ideias com os engenheiros que desenvolvem instrumentos de sonda atômica 3-D na CAMECA, uma empresa de instrumentação científica na vizinha Madison, Wis.

p Joester e Gordon fotografaram os dentes do quíton, um pequeno molusco marinho, porque muito se sabe sobre o processo de biomineralização. O quíton vive no mar e se alimenta de algas encontradas nas rochas. Faz continuamente novas fileiras de dentes - uma por dia - para substituir dentes maduros, mas gastos; no estilo de correia transportadora, os dentes mais velhos descem pela rádula semelhante a uma língua da criatura em direção à boca de onde ela se alimenta.

p Os dentes de quíton se assemelham aos dentes humanos por terem uma camada externa dura e resistente - equivalente ao nosso esmalte - e um núcleo mais macio. Em vez de esmalte, os chitons mastigadores de rocha usam magnetita, um óxido de ferro muito duro, o que dá a seus dentes um brilho negro.

p Os pesquisadores extraíram amostras do tamanho de um mícron da borda dianteira do dente. Usando uma ferramenta de feixe de íons focado na instalação central do Centro Experimental de Caracterização Atômica e em Nanoescala da Northwestern University, essas amostras foram moldadas em pontas muito afiadas (menos de 20 nanômetros de diâmetro). O processo é uma reminiscência de apontar um lápis, embora com um fluxo supercarregado de íons de gálio.

p A técnica APT aplica um campo elétrico extremamente alto à amostra; átomos na superfície se ionizam, voe e acerte um detector de imagem (semelhante aos encontrados em equipamentos de visão noturna). Os átomos são separados átomo por átomo e camada por camada, como descascar uma cebola. Métodos de computador, então, são usados ​​para calcular a localização original dos átomos, produzindo um mapa 3-D ou tomograma de milhões de átomos na amostra.

p Joester e Gordon agora estão estudando o esmalte dentário de um vertebrado e planejam aplicar APT no osso, que também é feito de partes orgânicas e inorgânicas, para saber mais sobre sua estrutura em nanoescala.