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编译服务: 纳米科技领域信息门户服务 编译者: 郭文姣 编译时间: 2017-11-7 点击量: 74

鹦嘴鱼通过咬石珊瑚来饲养它们,因此它们需要非常坚硬、坚硬的、坚韧的、耐磨损的牙齿。美国和新加坡的一组研究人员已经发现,新的化学分析、纳米压痕和偏振相关的成像造影术实验已经证明了他们确实拥有所有这些特性。研究结果可能有助于仿生材料的发展,这些材料受到这些牙齿的启发,现在应用的分析技术也可以用于研究人类的骨骼和牙齿。

研究小组成员、劳伦斯伯克利国家实验室的马修·马库斯(Matthew Marcus)的研究报告的主要作者说:“鹦嘴鱼的牙齿真的是很好的东西,而且在自然界中很少有其他牙齿更硬或更硬。”“我们现在对它们的牙齿为什么如此坚硬和耐磨性有了一些了解。”

这支由威斯康辛-麦迪逊大学的Pupa Gilbert领导的研究小组研究了陡峭的鹦嘴鱼的叶绿体,它通过咬珊瑚来吸收其中的有机物质。这些鱼有两套牙齿,有两种截然不同的功能:一种是咬珊瑚的喙,另一种是咽部的“磨”,用来研磨和咀嚼沥青珊瑚。研究人员把注意力集中在他们的工作上。这种鸟的喙,实际上看起来很像鹦鹉的喙,因此它的名字叫鹦嘴鱼,包括许多牙齿粘合在一起,随后有9颗牙齿咬住了牙齿顶端的咬牙。

鹦嘴鱼的牙齿含有氟磷灰石-在所有生物矿物中最坚硬和最坚硬的

吉尔伯特和他的同事们开始测量纳米压痕实验中牙齿的力学性能。然后,他们使用一系列技术进行化学分析,包括扫描电子显微镜能量d色散x射线分析(sem- edx)和电子探针微分析(EPMA),微喇曼光谱和光电子发射显微镜(PEEM)与偏振相关的成像c对比(PIC)映射。

Parrotfish牙齿含有氟磷灰石(Ca5(PO4)F)。该材料的平均弹性模量为124 GPa,平均硬度为7.3 GPa,这意味着它是已知最硬、最坚硬的生物材料之一。它还具有超过6 Pa的平均压痕屈服强度和2.5 mpam1 / 2的平均表面韧性,这是一种高度矿化的材料。所有这些特性的结合意味着它对磨损非常有抵抗力。

观察磷灰石纳米晶体的方向

纳米压痕试验结果显示,在牙釉体连接处咬合方向上的切齿的弹性模量从牙本质上的约90度增加到尖端的105点,显示牙齿逐渐变硬。它的硬度被测量为接近咬尖的7点左右。相比之下,人类臼齿的珐琅质要比鹦嘴鱼的珐琅质更硬,也更硬(分别为96 GPa和3.5 GPa)。

特别是PIC映射,使研究人员能够观察到在鹦嘴鱼磷灰石中纳米晶体的方向。他们发现,鹦嘴鱼的珐琅器由100个nm -宽,微-长晶体组成,以相互导向的方式组合成纤维束交织在一起,就像织布的经纱和织布一样。这些纤维逐渐减少在大小从5μm回到2μm小费,正是这种规模减少,使牙齿结构,解释了马库斯。

他说:“这并不是说鹦嘴鱼的牙齿是由任何特殊材料制成的——我们的牙齿也是由磷灰石制成的——它更像牙齿结构中特殊的晶体排列。”“这种安排似乎比其他任何动物的牙齿更复杂。”

交织晶体的复杂排列

他告诉nanotechweb.org,“更重要的是,我们发现了整个喙的结构(从宏观(厘米大小)到微观和纳米尺度的作用。”“鹦嘴鱼的牙齿在一种‘传送带’上,但与鲨鱼的传送带相比,有不同的几何形状。”例如,在鹦嘴鱼中,一颗锋利的牙齿能有效地使喙自锐。

由吉尔伯特在LBL的高级光源上开发的PIC映射方法,使研究人员能够观察到微纳米级结构,使鹦嘴鱼的牙齿非常特殊。在上面所展示的图像中,有一些来自我们研究的地图。在PIC图中,颜色代表了晶体的方向,这意味着我们可以揭示交织晶体的复杂排列。

接下来分析人类的牙齿和骨骼

他补充说:“研究结果还表明,在自然界中,复杂的结构已经进化出了特殊的特殊功能,比如咬珊瑚,使用简单的、不复杂的材料。”“相比之下,人造材料通常做相反的事情——那就是,我们使用具有非常基本结构的高科技材料。”

该团队在ACS Nano DOI:10.1021 / acsnano报告其工作。7b05044,说它现在正在分析人类的牙齿和骨骼,使用它的技术。“PIC映射在磷灰石上起作用,而不仅仅是像之前认为的那样在碳酸盐上,打开了一个新的生物材料的新窗口,”马库斯说。

——文章发布于2017年11月3日

 

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