科學(xué)家首次發(fā)現(xiàn)隱藏在軟體動(dòng)物牙齒中的罕見(jiàn)礦物

據(jù)外媒報(bào)道，美國(guó)西北大學(xué)的研究人員首次發(fā)現(xiàn)了一種隱藏在石鱉牙齒中的罕見(jiàn)礦物，石鱉是一種在巖石海岸線上發(fā)現(xiàn)的大型軟體動(dòng)物。在這個(gè)奇怪的驚喜之前，這種被稱為圣巴雷特（santabarbaraite，又稱為羥水磷鐵石）的鐵礦物只在巖石中被記錄過(guò)。

這項(xiàng)新發(fā)現(xiàn)有助于理解整個(gè)石鱉的牙齒--不僅僅是超硬、耐用的尖牙--是如何被設(shè)計(jì)成能夠忍受咀嚼巖石來(lái)覓食的?；谠谑M牙齒中發(fā)現(xiàn)的礦物質(zhì)，研究人員開(kāi)發(fā)了一種生物啟發(fā)墨水，用于3D打印超硬、堅(jiān)硬和耐用的材料。

該研究的資深作者、西北大學(xué)的Derk Joester說(shuō)：“這種礦物只在地質(zhì)標(biāo)本中被觀察到過(guò)，數(shù)量非常少，以前從未在生物環(huán)境中出現(xiàn)過(guò)。它有很高的含水量，這使得它在低密度的情況下很堅(jiān)固。我們認(rèn)為這可能會(huì)在不增加大量重量的情況下使牙齒變硬。”

這項(xiàng)研究將于本周發(fā)表在《美國(guó)國(guó)家科學(xué)院院刊》上。

作為自然界中已知的最堅(jiān)硬的材料之一，石鱉的牙齒附著在柔軟、靈活、像舌頭一樣的齒舌上，齒舌刮過(guò)巖石來(lái)收集藻類和其他食物。在長(zhǎng)期研究石鱉牙齒之后，Joester和他的團(tuán)隊(duì)最近轉(zhuǎn)向了Cryptochiton stelleri，一種巨大的、紅棕色石鱉，有時(shí)被親切地稱為 “流浪的肉卷”。

為了檢查Cryptochiton stelleri的牙齒，Joester的團(tuán)隊(duì)與阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室高級(jí)光子源的高級(jí)科學(xué)家Ercan Alp合作，使用該設(shè)施的同步輻射莫斯鮑爾光譜，并與Paul Smeets合作，在西北大學(xué)原子和納米尺度特征和實(shí)驗(yàn)（NUANCE）中心使用透射電子顯微鏡。他們發(fā)現(xiàn)圣巴雷特分散在石鱉的上齒中，這是一個(gè)長(zhǎng)而空的結(jié)構(gòu)，將牙齒的頭部和靈活的齒舌膜連接起來(lái)。

Joester說(shuō)：“上齒就像人類的牙根，它將我們的牙尖與我們的下顎連接起來(lái)。這是一種堅(jiān)韌的材料，由生物大分子構(gòu)成的纖維基質(zhì)中極小的納米顆粒組成，類似于我們體內(nèi)的骨骼?！?/span>

Joester的小組挑戰(zhàn)自己，在為3D打印設(shè)計(jì)的墨水中重新創(chuàng)造這種材料。Stegbauer開(kāi)發(fā)了一種由鐵和磷酸鹽離子組成的反應(yīng)性墨水，并將其混合到從甲殼素中提取的生物聚合物中。與Mark Hersam實(shí)驗(yàn)室的西北大學(xué)研究生Shay Wallace一起，Stegbauer發(fā)現(xiàn)這種墨水在打印前立即混合時(shí)打印效果很好。

“隨著納米顆粒在生物聚合物中的形成，它變得更加強(qiáng)大和粘稠。然后這種混合物可以很容易地用于印刷。隨后在空氣中的干燥導(dǎo)致了最終材料的堅(jiān)硬和僵硬，”Joester說(shuō)。

Joester認(rèn)為，我們可以繼續(xù)從石鱉的上齒中學(xué)習(xí)和開(kāi)發(fā)材料，它將超硬的牙齒連接到柔軟的根部。他說(shuō)："我們對(duì)石鱉著迷了很久。機(jī)械結(jié)構(gòu)的好壞取決于其最薄弱的環(huán)節(jié)，因此了解石鱉如何解決怎樣將其超硬的牙齒連接到柔軟的底層結(jié)構(gòu)這一工程問(wèn)題是很有趣的。這仍然是現(xiàn)代制造業(yè)的一個(gè)重大挑戰(zhàn)，所以我們期待像石鱉這樣的生物體來(lái)了解這在自然界是如何完成的，它有幾億年的準(zhǔn)備時(shí)間來(lái)發(fā)展。"