Como o “bolo de carne errante” conseguiu seus dentes duros como pedra

O chiton bota de borracha não é uma criatura glamorosa. O grande e acidentado molusco rasteja ao longo das águas da costa do Pacífico, puxando seu corpo marrom-avermelhado para cima e para baixo na costa. Às vezes é conhecido, com razão, como “o bolo de carne errante”. Mas o corpo modesto do quíton esconde uma série de dentes minúsculos, mas formidáveis. Esses dentes, que a criatura usa para raspar algas das rochas, estão entre os materiais mais duros que existem em um organismo vivo.

Agora, uma equipe de cientistas descobriu um ingrediente surpreendente na dentição dura como pedra do quíton: um mineral raro à base de ferro que antes só era encontrado em rochas reais. Pequenas partículas do mineral, que são fortes mas leves, ajudam a endurecer a raiz dos dentes do molusco. os pesquisadores relataram na revista PNAS na segunda-feira.

A descoberta pode ajudar os engenheiros a projetar novos tipos de materiais, de acordo com os cientistas, que forneceram uma prova de princípio ao criar uma nova tinta inspirada em chiton para impressoras 3-D.

Um quíton se alimenta passando sua língua flexível em forma de fita, conhecida como rádula, ao longo de rochas cobertas de algas. Seus dentes ultra-duros estão dispostos em fileiras ao longo da rádula lisa. Um tubo longo e oco, conhecido como lápis, ancora cada dente à rádula.

Os cientistas já haviam descoberto que a parte superior dos dentes de quíton continha um mineral de ferro chamado magnetita, mas sabiam menos sobre a composição do lápis. “Sabíamos que havia ferro no topo do dente”, disse Linus Stegbauer, cientista de materiais da Universidade de Stuttgart, na Alemanha, e primeiro autor do artigo. “Mas na estrutura da raiz, não tínhamos ideia do que estava acontecendo lá.”

No novo estudo, os pesquisadores analisaram dentes de quíton usando uma variedade de técnicas de imagem avançadas, incluindo vários tipos de espectroscopia, que permitem aos cientistas aprender sobre as propriedades químicas e físicas de um material, observando como ele interage com a luz e outros tipos de eletromagnéticos radiação.

Eles descobriram que o lápis continha partículas minúsculas de algum tipo de mineral à base de ferro suspensos em uma matriz mais macia. (A matriz é feita de quitina, o composto que compõe os exoesqueletos de insetos e crustáceos.)

Após uma análise mais detalhada, eles ficaram surpresos ao descobrir que as partículas minerais eram santabarbaraíta, um mineral nunca antes observado em seres vivos. “Foi uma série de surpresas e depois continuou chegando”, disse Derk Joester, principal autor e cientista de materiais da Northwestern University.

Santabarbaraíte é um mineral duro, mas contém menos ferro e mais água do que magnetita, o que o torna menos denso. O mineral pode permitir que o quitão forme dentes fortes e leves, ao mesmo tempo que reduz sua dependência do ferro. “O ferro é fisiologicamente um material raro”, disse o Dr. Joester.

Os pesquisadores também descobriram que as partículas de santabarbaraíte não foram distribuídas uniformemente por todo o lápis. Em vez disso, eles se concentraram na parte superior, mais perto da superfície do dente, e tornaram-se mais dispersos na parte inferior, onde o lápis se conectou à rádula mole. Este padrão de distribuição criou um gradiente, tornando o lápis mais rígido e duro na parte superior e mais flexível na parte inferior.

“O organismo tem um enorme controle espacial sobre para onde o mineral vai”, disse Joester. “E isso é realmente, eu acho, o que nos fez pensar sobre como isso poderia ser usado para criar materiais. Se o organismo pode modelar isso, podemos fazer o mesmo? “

Os pesquisadores decidiram tentar criar uma nova “tinta” para impressora 3D inspirada no dente quitônio. Eles começaram com um composto semelhante à quitina e depois adicionaram dois líquidos: um contendo ferro e outro contendo fosfato. Misturando os ingredientes, foi obtida uma pasta espessa que foi pontilhada com pequenas partículas de um mineral semelhante ao santabarbaraíte. “E então está pronto para imprimir – você pode simplesmente transferi-lo para sua impressora 3-D”, disse o Dr. Stegbauer.

A tinta endurecia à medida que secava, mas suas propriedades físicas finais dependiam da quantidade de ferro e fosfato adicionado à mistura. Quanto mais foi adicionado, mais nanopartículas se formaram e mais rígido e duro se tornou o material final. Ao modificar a receita dessa forma, os pesquisadores foram capazes de criar objetos que eram tão flexíveis e elásticos como lulas ou tão rígidos e duros como ossos.

“Deve ser possível misturar a tinta em uma proporção que você pode alterar imediatamente antes de imprimir”, disse o Dr. Joester. “E isso permitiria que você alterasse a composição, o número de nanopartículas e, portanto, a resistência do material em tempo real. O que significa que ele pode imprimir materiais onde a resistência muda drasticamente em distâncias relativamente curtas. “

A técnica pode ser útil no campo crescente da robótica leve, permitindo que os engenheiros criem máquinas que são duras e rígidas em alguns lugares e macias e flexíveis em outros, disse o Dr. Joester: “Acho que seria incrível se você pudesse imprimir tudo . destes gradientes na estrutura. “