Como dentes de formiga cortam como um bisturi – imagens em escala atômica revelam átomos de zinco incorporados

Como dentes de formiga cortam como um bisturi – imagens em escala atômica revelam átomos de zinco incorporados

Mandíbulas de formiga embalam uma mordida poderosa

As mandíbulas das formigas dão uma mordida poderosa, graças aos átomos de zinco embutidos. Crédito: Robert Schofield | Universidade de Oregon

Imagens em escala atômica revelam animais minúsculos que usam zinco para afiar suas ferramentas em miniatura.

Você já se perguntou como pequenas criaturas podem cortar, furar ou picar com tanta facilidade? Uma nova pesquisa revela que formigas, vermes, aranhas e outras criaturas minúsculas têm um conjunto integrado de ferramentas que causaria inveja a qualquer carpinteiro ou cirurgião.

Um estudo recente, publicado na revista Nature Relatórios Científicos, mostra pela primeira vez como átomos individuais de zinco são organizados para maximizar a eficiência de corte e manter a nitidez dessas minúsculas ferramentas de animais primorosamente construídas. Uma colaboração entre uma equipe de pesquisa da Universidade de Oregon e o Laboratório Nacional do Noroeste do Pacífico (PNNL) do Departamento de Energia dos Estados Unidos (DOE) revelou a solução da natureza para permitir que pequenas criaturas cortem e perfurem com relativa facilidade.

Quando a formiga morde

Considere o dente de formiga. Sim, as formigas têm dentes, como qualquer pessoa que já pisou em um formigueiro pode atestar. Essas estruturas especializadas, tecnicamente chamadas de “dentes mandibulares” porque estão presas fora de suas bocas, são feitas de uma rede de material que une fortemente os átomos individuais de zinco. O efeito total é uma mandíbula que envolve mais de 8% do peso do dente com zinco.

Esses tipos de ferramentas especializadas de criaturas têm sido uma fascinação de décadas para o professor associado da Universidade de Oregon, Robert Schofield, que liderou este estudo. Sua equipe de biofísicos desenvolveu técnicas para medir a dureza, elasticidade, energia de fratura, resistência à abrasão e resistência ao impacto em escala miniatura.

Arun Devaraj

Arun Devaraj trabalhando no laboratório. Crédito: Pacific Northwest National Laboratory

Mas eles não podiam realmente ver a estrutura dos materiais que compõem os dentes das formigas e outras ferramentas animais microscópicas, especialmente na escala atômica. É aí que o cientista de materiais do PNNL, Arun Devaraj, e o estagiário de doutorado Xiaoyue Wang entraram em cena. Devaraj é um especialista no uso de uma técnica especializada de microscópio chamada átomo tomografia por sonda. Ele usou um microscópio de feixe de íons focalizado para tirar uma pequena amostra de agulha da ponta de um dente de formiga e, em seguida, fotografou essa amostra de agulha usando tomografia de sonda atômica, permitindo à equipe identificar como os átomos individuais estão dispostos perto da ponta de um dente de formiga.

Usando essa técnica, Devaraj e Wang registraram pela primeira vez a distribuição em nanoescala dos átomos de zinco no dente da formiga.

“Pudemos ver que o zinco está uniformemente distribuído no dente, o que foi uma surpresa”, disse Devaraj. “Esperávamos que o zinco se agrupasse em nano-nódulos.”

A equipe de pesquisa estimou que, como esses biomateriais podem ser mais afiados, eles possibilitam que os animais usem 60 por cento ou até menos da força que teriam de usar se suas ferramentas fossem feitas de materiais semelhantes aos encontrados em dentes humanos . Como menos força é necessária, seus músculos menores gastam menos energia. Essas vantagens podem explicar por que toda aranha, formiga, outros insetos, vermes, crustáceos e muitos outros grupos de organismos possuem essas ferramentas especializadas.

Ai! Dentes de formiga trabalhando

“Os engenheiros humanos também podem aprender com esse truque biológico”, disse Schofield. “A dureza dos dentes das formigas, por exemplo, aumenta da dureza do plástico para a dureza do alumínio quando o zinco é adicionado. Embora existam materiais de engenharia muito mais duros, eles costumam ser mais frágeis. ”

Aprender com a natureza é uma maneira de entender o que torna os materiais mais fortes e resistentes a danos, acrescentou Devaraj. Ele está atualmente usando o prêmio DOE Early Career para estudar, em escala atômica, os princípios que tornam alguns materiais fortes e resistentes a danos. “Ao estudar a microestrutura do aço também em escala atômica, podemos entender melhor como alterar a composição dos materiais muda sua resistência a danos, especificamente a resistência à corrosão sob tensão e o comportamento ao longo do tempo”, disse ele. “Isso é especialmente importante para projetar estruturas como usinas nucleares que precisam resistir ao envelhecimento por muitas décadas”.

Referência: “A alternativa homogênea para a biomineralização: materiais ricos em Znand Mn permitem” ferramentas “organizacionais precisas que reduzem os requisitos de força” por RMS Schofield, J. Bailey, JJ Coon, A. Devaraj, RW Garrett, MS Goggans, MG Hebner, BS Lee, D. Lee, N. Lovern, S. Ober-Singleton, N. Saephan, VR Seagal, DM Silver, HE Som, J. Twitchell, X. Wang, JS Zima e MH Nesson, 1 de setembro de 2021, Relatórios Científicos.
DOI: 10.1038 / s41598-021-91795-y

O estudo de pesquisa foi apoiado pelo Centro de Pesquisa para Caracterização Avançada de Materiais da National Science Foundation, uma instalação da Universidade de Oregon. Uma parte do trabalho foi conduzida no Laboratório de Ciências Moleculares Ambientais (EMSL), uma instalação do DOE Office of Science no PNNL em Richland, Washington.

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