在原子显微镜下，蚂蚁的牙齿像手术刀一样锋利

材料科学家阿伦·德瓦拉杰(Arun Devaraj)首次用原子细节拍摄了蚂蚁的牙。

　　

   

   

Arun Devaraj在实验室工作。

有没有想过微小的生物能如此轻易地切割、刺穿或导致刺痛?一项新的研究表明，蚂蚁、蠕虫、蜘蛛和其他微小生物都有一套内置的工具，这是任何木匠或外科医生都会羡慕的。

最近发表在《科学报告》(Scientific Reports)上的一项研究首次表明，锌原子是如何排列的，以最大限度地提高切割效率，并保持这些精巧构造的微小动物工具的锋利。俄勒冈大学的一个研究小组和美国能源部(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，让这些微小生物可以相对容易地切割和穿刺。

被蚂蚁咬

想想蚂蚁的牙齿。是的，蚂蚁有牙齿，任何曾经踩过蚁丘的人都可以证明这一点。这些特殊的结构，被称为“下颌牙齿”，因为它们是附着在嘴巴外面的，是由一种紧密结合单个锌原子的材料网络构成的。总的效果是，下颌骨中锌的含量超过牙齿重量的8%。

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)几十年来一直对这些特殊的生物工具着迷。他的生物物理学家团队开发了一种技术，可以在微型尺度上测量硬度、弹性、断裂能量、耐磨性和抗冲击性。

但他们无法真正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的工作。Devaraj是使用一种叫做原子探针断层扫描的特殊显微镜技术的专家。他使用聚焦离子束显微镜从蚂蚁牙齿尖上取下一个微小的针状样本，然后用原子探针断层摄影术对针状样本进行成像，使研究小组能够确定单个原子是如何在蚂蚁牙齿尖附近排列的。

利用这项技术，Devaraj和Wang首次记录了蚂蚁牙齿中锌原子的纳米级分布。

Devaraj说:“我们可以看到锌在牙齿中均匀分布，这是一个惊喜。我们原本预计锌会聚集在纳米结核中。”

研究小组估计，由于这些生物材料更锋利，它们可以使用60%甚至更少的力，如果它们的工具是用与人类牙齿相似的材料制成的话。因为需要更少的力量，它们较小的肌肉消耗更少的能量。这些优势可以解释为什么每一个蜘蛛、蚂蚁、其他昆虫、蠕虫、甲壳类动物和许多其他生物群体都有这些专门的工具。

Schofield说:“人类工程师也可以从这种生物学技巧中学习。例如，蚂蚁牙齿的硬度从塑料的硬度增加到添加锌后的铝的硬度。虽然有更硬的工程材料，但它们往往更脆。”

Devaraj补充说，向自然学习是理解是什么让材料更坚固、更抗破坏的一种方式。目前，他正在利用美国能源部的早期职业奖，在原子尺度上研究使某些材料变得坚固和抗破坏的原理。他说:“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材料组成的改变如何改变其抗损伤性能，特别是抗应力腐蚀性能和随时间的变化。这对于设计像核电站这样需要承受几十年老化的结构尤其重要。”

DOI

10.1038 / s41598 - 021 - 91795 - y