Les mandibules des fourmis ont une morsure puissante, grâce aux atomes de zinc incrustés. Crédit : Robert Schofield | Université de l’Oregon
L’imagerie à l’échelle atomique révèle que de minuscules animaux utilisent du zinc pour affûter leurs outils miniatures.
Vous êtes-vous déjà demandé comment de minuscules créatures peuvent si facilement trancher, percer ou piquer ? De nouvelles recherches révèlent que les fourmis, les vers, les araignées et d’autres minuscules créatures ont un ensemble d’outils intégré qui ferait l’envie de n’importe quel menuisier ou chirurgien.
Une étude récente, publiée dans la revue Nature Rapports scientifiques, montre pour la première fois comment les atomes individuels de zinc sont agencés pour maximiser l’efficacité de coupe et maintenir la netteté de ces minuscules outils d’animaux magnifiquement construits. Une collaboration entre une équipe de recherche de l’Université de l’Oregon et le Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) du département américain de l’Énergie (DOE) a révélé la solution de la nature pour permettre à de minuscules créatures de couper et de perforer avec une relative facilité.
Quand la fourmi mord
Considérez la dent de fourmi. Oui, les fourmis ont des dents, comme peut en témoigner quiconque a déjà marché sur une fourmilière. Ces structures spécialisées, techniquement appelées « dents mandibulaires » parce qu’elles sont attachées à l’extérieur de leur bouche, sont constituées d’un réseau de matériaux qui lie étroitement les atomes individuels de zinc. L’effet total est une mandibule qui contient plus de 8 pour cent du poids de la dent avec du zinc.
Ces types d’outils spécialisés pour créatures fascinent depuis des décennies le professeur agrégé de l’Université de l’Oregon, Robert Schofield, qui a dirigé cette étude. Son équipe de biophysiciens a développé des techniques pour mesurer la dureté, l’élasticité, l’énergie de rupture, la résistance à l’abrasion et la résistance aux chocs à une échelle miniature.
Arun Devaraj au travail dans le laboratoire. Crédit : Laboratoire national du Nord-Ouest du Pacifique
Mais ils ne pouvaient pas réellement voir la structure des matériaux qui composent les dents des fourmis et autres outils microscopiques des animaux, en particulier à l’échelle atomique. C’est là que le scientifique des matériaux du PNNL Arun Devaraj et le doctorant Xiaoyue Wang sont entrés en scène. Devaraj est un expert dans l’utilisation d’une technique de microscope spécialisée appelée atome tomographie par sonde. Il a utilisé un microscope à faisceau d’ions focalisé pour prélever un minuscule échantillon d’aiguille de la pointe d’une dent de fourmi, puis a imagé cet échantillon d’aiguille à l’aide d’une tomographie par sonde atomique, permettant à l’équipe d’identifier comment les atomes individuels sont disposés près de la pointe d’une dent de fourmi.
En utilisant cette technique, Devaraj et Wang ont enregistré pour la première fois la distribution à l’échelle nanométrique des atomes de zinc dans la dent de fourmi.
“Nous avons pu voir que le zinc est uniformément réparti dans la dent, ce qui était une surprise”, a déclaré Devaraj. “Nous nous attendions à ce que le zinc soit regroupé dans des nano-nodules.”
L’équipe de recherche a estimé que, parce que ces biomatériaux peuvent être plus tranchants, ils permettent aux animaux d’utiliser 60% ou même moins de la force qu’ils auraient à utiliser si leurs outils étaient faits de matériaux similaires à ceux trouvés dans les dents humaines. . Parce que moins de force est nécessaire, leurs petits muscles dépensent moins d’énergie. Ces avantages peuvent expliquer pourquoi chaque araignée, fourmi, autres insectes, vers, crustacés et de nombreux autres groupes d’organismes disposent de ces outils spécialisés.
Aie! Dents de fourmi au travail
“Les ingénieurs humains pourraient également apprendre de cette astuce biologique”, a déclaré Schofield. « La dureté des dents de fourmi, par exemple, passe d’environ la dureté du plastique à la dureté de l’aluminium lorsque le zinc est ajouté. Bien qu’il existe des matériaux d’ingénierie beaucoup plus durs, ils sont souvent plus cassants.
Apprendre de la nature est un moyen de comprendre ce qui rend les matériaux plus solides et plus résistants aux dommages, a ajouté Devaraj. Il utilise actuellement un DOE Early Career Award pour étudier, à l’échelle atomique, les principes qui rendent certains matériaux solides et résistants aux dommages. “En étudiant la microstructure de l’acier également à l’échelle atomique, nous pouvons mieux comprendre comment la modification de la composition des matériaux modifie sa résistance aux dommages, en particulier la résistance à la corrosion sous contrainte et le comportement au fil du temps”, a-t-il déclaré. « Cela est particulièrement important pour la conception de structures telles que les centrales nucléaires qui doivent résister au vieillissement pendant de nombreuses décennies. »
Référence : « L’alternative homogène à la biominéralisation : les matériaux riches en Znand Mn permettent des « outils » d’organismes tranchants qui réduisent les exigences de force » par RMS Schofield, J. Bailey, JJ Coon, A. Devaraj, RW Garrett, MS Goggans, MG Hebner, BS Lee, D. Lee, N. Lovern, S. Ober-Singleton, N. Saephan, VR Seagal, DM Silver, HE Som, J. Twitchell, X. Wang, JS Zima et MH Nesson, 1er septembre 2021, Rapports scientifiques.
DOI : 10.1038 / s41598-021-91795-y
L’étude de recherche a été soutenue par le Centre de recherche soutenu par la National Science Foundation pour la caractérisation des matériaux avancés, une installation basée à l’Université de l’Oregon. Une partie du travail a été menée au Laboratoire des sciences moléculaires de l’environnement (EMSL), une installation utilisateur du DOE Office of Science au PNNL à Richland, Washington.
