有没有想过微小的生物怎么能如此轻松地切片、刺穿或刺痛?新研究表明，蚂蚁、蠕虫、蜘蛛和其他微小生物都有一套内置的工具，这些工具会让任何木匠或外科医生都羡慕不已。
最近发表在《自然》杂志《科学报告》上的一项研究首次展示了锌的各个原子如何排列以最大限度地提高切割效率并保持这些构造精美的微型动物工具的锋利度。俄勒冈大学的一个研究小组与美国能源部 (DOE) 太平洋西北国家实验室 (PNNL) 的合作揭示了大自然的解决方案，使微小生物能够相对轻松地切割和穿刺。
当蚂蚁咬人
考虑蚂蚁牙齿。是的，蚂蚁有牙齿，任何踩过蚁丘的人都可以证明这一点。这些特殊的结构，技术上称为“下颌牙齿”，因为它们附着在口腔外面，由紧密结合单个锌原子的材料网络制成。总的效果是下颌骨含有超过 8% 的牙齿重量。
领导这项研究的俄勒冈大学副教授罗伯特·斯科菲尔德 (Robert Schofield) 几十年来一直着迷于这些专门的小动物工具。他的生物物理学家团队开发了在微型尺度上测量硬度、弹性、断裂能、耐磨性和抗冲击性的技术。
但他们实际上无法看到构成蚂蚁牙齿和其他微观动物工具的材料的结构，尤其是在原子尺度上。这就是 PNNL 材料科学家 Arun Devaraj 和博士实习生 Xiaoyue Wang 进入图片的地方。Devaraj 是使用称为原子探针断层扫描的专门显微镜技术的专家。他使用聚焦离子束显微镜从蚂蚁牙齿的尖端采集了一个微小的针样本，然后使用原子探针断层扫描对针样本进行成像，从而使团队能够确定单个原子在蚂蚁牙齿尖端附近的排列方式。
使用这种技术，Devaraj 和 Wang 首次记录了蚂蚁牙齿中锌原子的纳米级分布。
“我们可以看到锌均匀分布在牙齿中，这是一个惊喜，”德瓦拉吉说。“我们原以为锌会聚集在纳米结节中。”
研究小组估计，由于这些生物材料可以更锋利，如果它们的工具由类似于人类牙齿的材料制成，它们可以使动物使用的力减少 60% 甚至更少。 .由于需要较少的力量，它们较小的肌肉消耗的能量较少。这些优势可以解释为什么每只蜘蛛、蚂蚁、其他昆虫、蠕虫、甲壳类动物和许多其他生物群都有这些专门的工具。
哎哟!工作中的蚂蚁牙
“人类工程师也可以从这种生物技巧中学习，”斯科菲尔德说。“例如，当添加锌时，蚂蚁牙齿的硬度从大约塑料的硬度增加到铝的硬度。虽然有更硬的工程材料，但它们通常更脆。”
Devaraj 补充说，向大自然学习是了解是什么使材料更坚固、更耐损坏的一种方式。他目前正在使用美国能源部早期职业奖在原子尺度上研究使某些材料坚固且抗损坏的原理。“通过在原子尺度上研究钢的微观结构，我们可以更好地了解改变材料的成分如何随着时间的推移改变其抗损伤性，特别是抗应力腐蚀性能和行为，”他说。“这对于设计像核电站这样需要承受数十年老化的结构尤其重要。”
这项研究得到了美国国家科学基金会支持的先进材料表征研究中心的支持，该研究中心是位于俄勒冈大学的设施。部分工作是在环境分子科学实验室 (EMSL) 进行的，环境分子科学实验室 (EMSL) 是位于华盛顿州 Richland 的 PNNL 的 DOE 科学用户设施办公室。
