Mineral de hierro raro de rocas encontrado en dientes de moluscos

Los investigadores de la Universidad Northwestern han descubierto, por primera vez, un mineral raro escondido dentro de los dientes de un quitón, un gran molusco que se encuentra a lo largo de la costa rocosa. Ante esta extraña sorpresa, el mineral de hierro, llamado santabarbaraita, solo había sido documentado en rocas.

El nuevo hallazgo ayuda a comprender cómo se diseñó todo el diente de quitón, no solo la cúspide ultrarrígida y duradera, para soportar la masticación de piedras como alimento. Basándose en los minerales que se encuentran en los dientes de quitón, los investigadores han desarrollado una tinta ultradura, rígida y bio-inspirada para impresión 3D. materiales duraderos.

«Este mineral sólo se ha observado en muestras geológicas en cantidades muy pequeñas y nunca antes se había visto en un contexto biológico», dijo Derk Joester de Northwestern, autor principal del estudio. «Tiene un alto contenido de agua, lo que lo hace fuerte con baja densidad. Creemos que puede endurecer los dientes sin agregar demasiado peso».

El estudio se publicará en la semana del 31 de mayo en procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias.

Joester es profesor asociado de ciencia e ingeniería de materiales en la Escuela de Ingeniería McCormick de Northwestern. Linus Stegbauer, ex becario postdoctoral en el laboratorio de Joester, es el primer autor del artículo. En Northwestern, durante la investigación, Stegbauer es ahora el investigador principal del Instituto de Ingeniería de Procesos Interfaciales y Tecnología de Plasma de la Universidad de Stuttgart, Alemania.

Uno de los materiales más duros que se conocen en la naturaleza, los dientes de quitón están unidos a una rádula suave, flexible, similar a una lengua, que raspa las rocas para recolectar algas y otros alimentos. Habiendo estudiado durante mucho tiempo los dientes del quitón, Joester y su equipo se han dirigido más recientemente al Cryptochiton stelleri, un quitón gigante de color marrón rojizo que a veces se conoce cariñosamente como el «pastel de carne errante».

Para examinar un diente de Cryptochiton stelleri, el equipo de Joester colaboró ​​con Ercan Alp, un científico senior de la Fuente de Fotones Avanzados del Laboratorio Nacional Argonne, para utilizar la espectroscopia de sincrotrón Mössbauer de la instalación, así como con Paul Smeets para usar Microscopía electrónica de transmisión en el Centro de Experimentación y Caracterización Atómica y Nanoescala de la Universidad Northwestern (NUANCE). Encontraron santabarbaraitis esparcidos por todo el estilete superior del quitón, una estructura larga y hueca que conecta la cabeza del diente a la membrana flexible de la rádula.

«La pluma es como la raíz de un diente humano, que conecta la cúspide de nuestro diente con la mandíbula», dijo Joester. «Es un material resistente compuesto de nanopartículas extremadamente pequeñas en una matriz fibrosa hecha de biomacromoléculas, similar a los huesos de nuestro cuerpo».

El grupo de Joester se desafió a sí mismos a recrear este material en una tinta diseñada para impresión 3D. Stegbauer ha desarrollado una pintura reactiva que comprende iones de hierro y fosfato mezclados en un biopolímero derivado de la quitina. Junto con Shay Wallace, un estudiante graduado de Northwestern en el laboratorio de Mark Hersam, Stegbauer descubrió que la tinta imprimía bien cuando se mezclaba justo antes de imprimir.

«A medida que las nanopartículas se forman en el biopolímero, se vuelven más fuertes y viscosas. Esta mezcla se puede usar fácilmente para imprimir. El secado al aire posterior conduce al material final duro y rígido», dijo Joester. Joester cree que podemos seguir aprendiendo y desarrollando materiales inspirados en la pluma de quitón, que conecta los dientes ultraduros con una rádula suave.

«Hemos estado fascinados por el quitón durante mucho tiempo», dijo. «Las estructuras mecánicas son tan buenas como su eslabón más débil, por lo que es interesante aprender cómo chiton resuelve el problema de ingeniería de cómo conectar su diente ultraduro a una estructura subyacente blanda. Esto sigue siendo un desafío importante en la fabricación moderna, por lo que buscamos en organismos como el quitón para comprender cómo se hace esto en la naturaleza, que tenía un tiempo de espera de unos pocos cientos de millones de años para desarrollarse «.