¿Alguna vez se preguntó cómo las criaturas diminutas pueden cortar, perforar o picar tan fácilmente? Una nueva investigación revela que las hormigas, gusanos, arañas y otras criaturas diminutas tienen un conjunto de herramientas incorporado que sería la envidia de cualquier carpintero o cirujano.
Un estudio reciente, publicado en la revista Nature Informes científicos , muestra por primera vez cómo se organizan los átomos individuales de zinc para maximizar la eficiencia de corte y mantener la nitidez de estas diminutas herramientas para animales exquisitamente construidas. Una colaboración entre un equipo de investigación de la Universidad de Oregon y el Departamento de Energía de EE. UU. El Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico PNNL reveló la solución de la naturaleza para permitir que las criaturas diminutas corten y pinchen con relativa facilidad.
Cuando la hormiga muerde
Considere el diente de hormiga. Sí, las hormigas tienen dientes, como puede atestiguar cualquiera que haya pisado un hormiguero. Estas estructuras especializadas, técnicamente llamadas "dientes mandibulares" porque están adheridas fuera de la boca, están formadas por una redde material que une fuertemente átomos individuales de zinc. El efecto total es una mandíbula que empaqueta más del 8 por ciento del peso del diente con zinc.
Este tipo de herramientas especializadas para criaturas ha sido una fascinación durante décadas para el profesor asociado de la Universidad de Oregon, Robert Schofield, quien dirigió este estudio. Su equipo de biofísicos ha desarrollado técnicas para medir la dureza, elasticidad, energía de fractura, resistencia a la abrasión,y resistencia al impacto en una escala en miniatura.
Pero en realidad no pudieron ver la estructura de los materiales que componen los dientes de las hormigas y otras herramientas microscópicas de animales, especialmente a escala atómica. Ahí es donde el científico de materiales de PNNL Arun Devaraj y el pasante de doctorado Xiaoyue Wang entraron en escena. Devaraj es unexperto en el uso de una técnica de microscopio especializada llamada tomografía con sonda atómica. Usó un microscopio de haz de iones enfocado para tomar una pequeña muestra de aguja de la punta de un diente de hormiga y luego tomó imágenes de esa muestra de aguja usando tomografía con sonda atómica, lo que permitió al equipo identificarcómo se disponen los átomos individuales cerca de la punta de un diente de hormiga.
Usando esta técnica, Devaraj y Wang registraron por primera vez la distribución a nanoescala de átomos de zinc en el diente de hormiga.
"Pudimos ver que el zinc se distribuye uniformemente en el diente, lo cual fue una sorpresa", dijo Devaraj. "Esperábamos que el zinc se agrupara en nano-nódulos".
El equipo de investigación estimó que, debido a que estos biomateriales pueden ser más afilados, hacen posible 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 que se encuentran endientes humanos. Debido a que se requiere menos fuerza, sus músculos más pequeños gastan menos energía. Estas ventajas pueden explicar por qué todas las arañas, hormigas, otros insectos, gusanos, crustáceos y muchos otros grupos de organismos tienen estas herramientas especializadas.
¡Ay! Dientes de hormiga en acción
"Los ingenieros humanos también podrían aprender de este truco biológico", dijo Schofield. "La dureza de los dientes de las hormigas, por ejemplo, aumenta de aproximadamente la dureza del plástico a la dureza del aluminio cuando se agrega zinc.materiales de ingeniería, a menudo son más frágiles ".
Aprender de la naturaleza es una forma de entender qué hace que los materiales sean más fuertes y más resistentes a los daños, agregó Devaraj. Actualmente está usando un premio DOE Early Career Award para estudiar, a escala atómica, los principios que hacen que algunos materiales sean fuertes y resistentes a los daños."Al estudiar la microestructura del acero también a escala atómica, podemos comprender mejor cómo la alteración de la composición de los materiales cambia su resistencia al daño, específicamente la resistencia a la corrosión por tensión y el comportamiento a lo largo del tiempo", dijo. "Esto es especialmente importante para diseñar estructuras como la energía nuclearplantas que necesitan resistir el envejecimiento durante muchas décadas ".
El estudio de investigación fue apoyado por el Centro de Investigación para la Caracterización Avanzada de Materiales, financiado por la Fundación Nacional de Ciencias, una instalación con sede en la Universidad de Oregon. Una parte del trabajo se llevó a cabo en el Laboratorio de Ciencias Moleculares Ambientales EMSL, una Oficina deInstalación para usuarios de ciencias en PNNL en Richland, Washington.
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