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Mineral de ferro raro de rochas encontradas nos dentes do molusco
A nova descoberta ajuda a entender como todo o dente de quíton - não apenas a cúspide ultrarrígida e durável - foi projetado para suportar a mastigação de pedras para se alimentar.
Por Northwestern University - 01/06/2021


Imagem de microscópio eletrônico de varredura da extremidade anterior da rádula com dentes maduros. Crédito: Northwestern University

Pesquisadores da Northwestern University descobriram, pela primeira vez, um mineral raro escondido dentro dos dentes de um quíton, um grande molusco encontrado ao longo da costa rochosa. Antes dessa estranha surpresa, o mineral de ferro, chamado santabarbaraíte, só havia sido documentado em rochas.

A nova descoberta ajuda a entender como todo o dente de quíton - não apenas a cúspide ultrarrígida e durável - foi projetado para suportar a mastigação de pedras para se alimentar. Com base nos minerais encontrados nos dentes de quíton, os pesquisadores desenvolveram uma tinta bioinspirada para impressão 3D de materiais ultra-duros, rígidos e duráveis .

"Este mineral só foi observado em espécimes geológicos em quantidades muito pequenas e nunca antes foi visto em um contexto biológico", disse Derk Joester da Northwestern, autor sênior do estudo. "Tem alto teor de água, o que o torna forte com baixa densidade. Achamos que isso pode endurecer os dentes sem adicionar muito peso."

O estudo será publicado na semana de 31 de maio na revista Proceedings of the National Academy of Sciences .

Joester é professor associado de ciência de materiais e engenharia na McCormick School of Engineering da Northwestern. Linus Stegbauer, um ex-pós-doutorado no laboratório de Joester, é o primeiro autor do artigo. Na Northwestern, durante a pesquisa, Stegbauer é agora o investigador principal do Instituto de Engenharia de Processos Interfaciais e Tecnologia de Plasma da Universidade de Stuttgart, na Alemanha.

Imagem em mosaico de toda a rádula com dentes mostrando todos os estágios
de desenvolvimento. Crédito: Northwestern University

Um dos materiais mais duros conhecidos na natureza, os dentes de quíton estão presos a uma rádula macia, flexível e semelhante a uma língua, que raspa as rochas para coletar algas e outros alimentos. Tendo estudado por muito tempo os dentes de quíton, Joester e sua equipe mais recentemente se voltaram para o Cryptochiton stelleri, um quíton gigante marrom-avermelhado que às vezes é carinhosamente chamado de "bolo de carne errante".

Para examinar um dente de Cryptochiton stelleri, a equipe de Joester colaborou com Ercan Alp, um cientista sênior da Fonte Avançada de Fótons do Laboratório Nacional de Argonne, para usar a espectroscopia Mössbauer síncrotron da instalação, bem como com Paul Smeets para usar microscopia eletrônica de transmissão na Northwestern University Atomic e Nanoscale Characterization and Experiment (NUANCE) Center. Eles encontraram santabarbaraíte disperso por todo o estilete superior do quíton, uma estrutura longa e oca que conecta a cabeça do dente à membrana flexível da rádula.
 
"A caneta é como a raiz de um dente humano, que conecta a cúspide do nosso dente à nossa mandíbula", disse Joester. "É um material resistente composto de nanopartículas extremamente pequenas em uma matriz fibrosa feita de biomacromoléculas, semelhantes aos ossos do nosso corpo."

O grupo de Joester se desafiou a recriar esse material em uma tinta projetada para impressão 3D. Stegbauer desenvolveu uma tinta reativa que compreende íons de ferro e fosfato misturados em um biopolímero derivado da quitina. Junto com Shay Wallace, um estudante graduado da Northwestern no laboratório de Mark Hersam, Stegbauer descobriu que a tinta imprimia bem quando misturada imediatamente antes da impressão.

"À medida que as nanopartículas se formam no biopolímero, ele fica mais forte e mais viscoso. Essa mistura pode então ser facilmente usada para impressão. A secagem subsequente ao ar leva ao material final duro e rígido", disse Joester. Joester acredita que podemos continuar a aprender e desenvolver materiais inspirados na caneta do chiton, que conecta dentes ultra-duros a uma rádula macia.

"Há muito tempo somos fascinados pelo quíton", disse ele. "As estruturas mecânicas são tão boas quanto o seu elo mais fraco, por isso é interessante aprender como o quitão resolve o problema de engenharia de como conectar seu dente ultrarrígido a uma estrutura subjacente macia. Esse continua sendo um desafio significativo na fabricação moderna, então olhamos para organismos gostam do quíton para entender como isso é feito na natureza, que teve um tempo de espera de algumas centenas de milhões de anos para se desenvolver. "

 

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