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蚂蚁的牙齿是一种强大的工具。尽管蚂蚁的牙齿还不到人类一根头发的宽度,但它们却能做出一些令人难以置信的切割壮举。现在,科学家们发现了一个原因:一层薄薄的重金属原子涂层。

通过将材料和技术从材料科学应用于一片生物学,研究人员实际上能够解构蚂蚁的牙齿。在这样做时,他们发现锌原子硬化并锐化牙齿,如刀片上的金刚石灰尘。研究人员发表了他们的工作在《科学报告星期四。

“当我们揭示这些纳米级结构时,我很肯定我们将揭示我们以前不知道的关于自然世界的东西,”他说阿伦Devaraj,华盛顿富国,华盛顿的太平洋西北国家实验室(PNNL)的材料科学家,以及其中一位作者。


Devaraj的工作主要集中在金属方面。人类可以自行修补和微调的人造品种,已经被设计到了生命的边缘。但德瓦拉杰长期以来一直对它们的自然生物副本感兴趣:这些材料在漫长的进化过程中发展出了令人印象深刻的特性。

“我一直有兴趣弄清楚工程师的大自然如何,”Devaraj说。

他说,这就是为什么他开始与罗伯特·斯科菲尔德他是俄勒冈大学的生物物理学家,也是这篇论文的主要作者。斯科菲尔德长期以来一直在研究无脊椎动物的“工具”,比如蚂蚁的牙齿,还有蜘蛛的尖牙、蝎子的爪子和蠕虫的下颚。在测量了这些工具的性能后,斯科菲尔德清楚地知道,它们的强度远远大于它们微小的尺寸所显示的强度。他想了解更多的原因。

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由于至少20世纪80年代,科学家们已经知道这种工具包含两种材料。第一个由钙和铁等元素组成,您可能在牙齿或骨骼中找到的那种。但第二种含有锌和锰如锌和锰的更多令人惊讶的元素。那些重金属戏剧的一部分并不完全理解,即使它们就像普通一样。

服用蚂蚁的牙齿,逐渐变为小于粉尘颗粒的尺寸。尚未研究的东西是尖端上的原子排列。这就是Devaraj的专业知识进入了图片的地方。“在材料科学中,我们认为原子结构如何决定属性,这是一个漂亮的例行公司,”他说。

因此,斯科菲尔德的研究小组从俄勒冈大学的一个蚁群中提取了牙齿,并将它们送到了6小时车程之外的太平洋西北国家实验室。在那里,德瓦拉杰和他的同事——包括博士实习生王晓月——提取了更小的样本,只有几个原子。

有了这个样本,德瓦拉杰和他的同事应用了一种叫做原子探针断层扫描的技术。他们将样品放在真空室中,然后逐字逐句地开始蒸发样品,一次一个原子。通过观察原子是如何飞离的,他们可以确定原子是什么,以及它们在样本上的位置。


这项技术最初是用来分析人造材料的。但通过在这只蚂蚁的牙齿上使用它,研究人员能够确定哪些原子位于牙齿顶端的位置。

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他们发现锌原子均匀地分布在牙齿上,可以使牙齿表面变硬,磨尖。锌原子可以让蚂蚁在咬人时,对猎物造成比最初看起来大得多的伤害,同时不需要太大的力量,也不会把工具弄钝。

斯科菲尔德说:“人类工程师也可以从这种生物学技巧中学习。在一份声明中.“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。”

随着我们更多地了解这些材料是如何在蚂蚁等无脊椎动物身上工作的,我们可能会发现如何在现实生活中制造更好的材料。这就是为什么德瓦拉杰、斯科菲尔德和他们的同事们认为,这篇论文只是个开始。他们计划在这一领域进行数年的深入研究,而且不只是在无脊椎动物领域:他们怀疑可能会在从鳄鱼到恐龙的所有动物的牙齿中找到类似的锋利材料。

“可能还有其他我们还没有发现的材料,”Devaraj说。

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