蚂蚁的牙齿如何像手术刀切割-原子尺度成像揭示嵌入的锌原子

原子尺度成像显示，微小的动物使用锌来锐化它们的微型工具。

常常想知道微小的生物如何轻松切片，穿刺或刺痛？新的研究表明，蚂蚁，蠕虫，蜘蛛和其他微小的生物具有一套内置的工具，这些工具将是任何木匠或外科医生的羡慕。

最近发表在《自然》杂志上的一项研究科学报告，首次示出锌的单个原子是如何安排的，以最大化切削效率并保持这些精致构造的微小动物工具的锐度。俄勒冈大学研究团队与美国能源部（DOE）太平洋西北国家实验室（PNNL）的合作揭示了大自然的解决方案，以使小型生物能够相对缓解来削减和穿刺。

当蚂蚁咬

考虑蚂蚁牙齿。是的，蚂蚁有牙齿，因为任何踩到蚂蚁土堆的人都可以证明。这些专业结构，技术上被称为“下颌牙齿”，因为它们在嘴外附着，是由紧密结合锌的单独原子的材料网络。总效果是一个下颌，用锌包装超过8％的蛀牙。

这类专业的压力钳是俄勒冈大学罗伯特·斯菲尔德大学的数十年，罗伯特·斯诺维斯（Robert Schofield）是几年的。他的生物物理学家团队已经开发了测量微型尺度的硬度，弹性，抗冲击性和抗冲击性的硬度，弹性，能量的技术。

但他们无法真正看到构成蚂蚁牙齿和其他微观动物工具的材料的结构，尤其是在原子尺度上。这就是PNNL材料科学家Arun Devaraj和博士实习生Xiaoyue Wang的工作。德瓦拉杰是使用一种特殊显微镜技术的专家原子探测断层扫描。他使用聚焦离子束显微镜从蚂蚁牙齿的尖端采取微小的针样品，然后使用原子探测断层扫描成像，允许团队识别单个原子如何排列在蚂蚁牙齿的尖端附近。

利用这项技术，Devaraj和Wang首次记录了蚂蚁牙齿中锌原子的纳米级分布。

Devaraj说:“我们可以看到锌在牙齿中均匀分布，这是一个惊喜。”“我们原本预计锌会聚集在纳米结核中。”

研究小组估计，由于这些生物材料更锋利，它们可以使用60%甚至更少的力，如果它们的工具是用与人类牙齿相似的材料制成的。因为需要更少的力量，他们较小的肌肉消耗更少的能量。这些优势可以解释为什么每一个蜘蛛、蚂蚁、其他昆虫、蠕虫、甲壳类动物和许多其他生物群体都有这些专门的工具。

哎哟!蚂蚁牙齿在工作

斯科菲尔德说:“人类工程师也可以从这种生物学技巧中学习。”“例如，蚂蚁牙齿的硬度从塑料的硬度增加到添加锌后的铝的硬度。虽然有更硬的工程材料，但它们往往更脆。”

从大自然学习是一种了解使材料更强大和更耐损害的东西的一种方式，添加了Devaraj。他目前正在使用DOE早期职业奖，以原子秤为原则，使一些材料具有强大和抗损害的原则。“通过研究钢微观结构也在原子尺度上，我们可以更好地了解改变材料的组成如何改变其损坏阻力，特别是压力耐腐蚀性和行为随着时间的推移。”“这对于设计核电站等结构尤其重要，这对需要经常持续数十年的核电站。”

参考文献:生物矿化的同质替代品:Znand Mn -丰富的材料使锋利的有机体的“工具”,减少力要求”由r·m·s·斯科菲尔德,j·贝利,j·j·库恩,a . Devaraj r·w·加勒特·m·s . Goggans m·g . Hebner b . s .李·d·李,n . Lovern s Ober-Singleton n . Saephan v r·席格d . m .银、h·e·索姆j .特x Wang到达Zima j . s .大门和m·h·尼森2021年9月1日,科学报告。
DOI: 10.1038 / s41598 - 021 - 91795 - y

该研究得到了全国科学基金会支持的先进材料特征研究中心，基于俄勒冈大学的设施。在华盛顿州Richland的PNNL的PNNL，在环境分子科学实验室（EMSL）进行了一部分工作，在PNNL。