Imágenes atómicas revelan que las hormigas usan zinc para afilar sus dientes

¿Alguna vez te has preguntado cómo las pequeñas criaturas pueden cortar, pinchar o picar con tanta facilidad? Una nueva investigación revela que las hormigas, gusanos, arañas y otros microorganismos tienen un conjunto de herramientas incorporado que envidiarían a cualquier carpintero o cirujano.

Un estudio reciente publicado en la revista Nature Informes científicos, muestra por primera vez cómo los átomos individuales de zinc Están dispuestos para maximizar la eficiencia de corte y mantener la nitidez de estas mini herramientas para animales exquisitamente diseñadas. Una colaboración entre un equipo de investigación de la Universidad de Oregón y el Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico (PNNL) del Departamento de Energía de EE. UU. Ha revelado la solución de la naturaleza para permitir que las criaturas diminutas corten y pinchen con relativa facilidad.

Cuando una hormiga muerde

Tenga en cuenta la edad de las hormigas. Sí, hormigas Tienen dientes, como puede atestiguar cualquiera que haya pisado un montículo de hormigas. Estas estructuras especializadas, técnicamente llamadas «dientes mandibulares» porque están adheridas fuera de la boca, consisten en una red de materiales que conectan estrechamente átomos de zinc individuales. El efecto general es la mandíbula inferior, que contiene más del 8 por ciento del peso del diente en zinc.

Este tipo de herramientas especializadas para criaturas han fascinado durante décadas al profesor asociado de la Universidad de Oregon, Robert Schofield, quien dirigió el estudio. Su equipo de biofísicos ha desarrollado técnicas para medir la dureza, la flexibilidad, la energía de fractura, la resistencia a la abrasión y la resistencia al impacto a microescala.

Pero en realidad no pudieron ver la estructura de los materiales que forman los dientes de las hormigas y las herramientas de otros animales microscópicos, especialmente a escala atómica. Aquí es donde el científico de materiales de PNNL Aaron Devaraj y el pasante de doctorado Xiaoyue Wang entraron en escena. Devaraj es un experto en el uso de una técnica de microscopía especializada llamada tomografía con sonda atómica. Usó un microscopio de haz de iones enfocado para tomar una pequeña muestra de la aguja de la punta del diente de la hormiga y luego tomó una imagen de la muestra de la aguja con una tomografía de sonda atómica, lo que permitió al equipo determinar cómo estaban dispuestos los átomos individuales cerca de la punta del diente de la hormiga. .

Usando esta técnica, Devaraj y Wang registraron por primera vez la distribución a nanoescala de átomos de zinc en el diente de las hormigas.

«Pudimos ver que el zinc estaba distribuido uniformemente en los dientes, lo cual fue una sorpresa», dijo Devaraj. «Esperábamos que el zinc se acumulara en nano-nódulos».

El equipo de investigación estimó que debido a que estos biomateriales pueden ser más afilados, permiten que los animales usen el 60 por ciento o incluso menos de la fuerza que tendrían que usar si sus herramientas estuvieran hechas de materiales similares a los de los dientes humanos. . Dado que se requiere menos fuerza, sus músculos más pequeños usan menos energía. Estas ventajas pueden explicar por qué las arañas, hormigas, otros insectos, gusanos, crustáceos y muchos otros grupos de organismos tienen todas estas herramientas especializadas.

¡Ay! Dientes de hormiga en el trabajo

«Los ingenieros humanos también pueden aprender de este truco biológico», dijo Schofield. «La dureza de los dientes de las hormigas, por ejemplo, aumenta de casi la dureza del plástico a la del aluminio cuando se agrega zinc. Si bien hay materiales de ingeniería que son mucho más duros, a menudo son más frágiles».

Una forma de entender qué hace que los materiales sean más fuertes y más resistentes al daño, agregó Devaraj, es aprender de la naturaleza. Actualmente está utilizando un Premio al Empleo Temprano del Departamento de Energía para estudiar los principios que hacen que algunos materiales sean fuertes y resistentes al daño, a nivel atómico. «Al estudiar la microestructura del acero también a nivel atómico, podemos comprender mejor cómo el cambio de composición de los materiales altera la resistencia al desgaste, específicamente la resistencia a la corrosión por tensión y el comportamiento a lo largo del tiempo», dijo. «Esto es particularmente importante para diseñar estructuras como plantas de energía nuclear que necesitan resistir el envejecimiento durante varias décadas».