你是否好奇微小的生物如何如此轻松地切割、穿刺或刺痛？新研究揭示了蚂蚁、蠕虫、蜘蛛和其他微小生物拥有一套内置的工具，这些工具会让任何木匠或外科医生羡慕不已。
最近发表在《自然》杂志《科学报告》上的一项研究首次展示了锌原子如何排列以最大化切割效率并保持这些精致构造的微小动物工具的锋利度。俄勒冈大学和能源部太平洋西北国家实验室（PNNL）的一个研究团队的合作揭示了自然界如何使微小生物相对轻松地切割和穿刺。
考虑蚂蚁的牙齿。是的，蚂蚁有牙齿，任何踩过蚁丘的人都可以证明这一点。这些专门的结构，技术上称为“下颚牙齿”，因为它们附着在嘴的外部，是由紧密结合锌原子的材料网络制成的。总的效果是一个下颚，其中锌的重量超过牙齿重量的8％。
这些专门的生物工具一直是俄勒冈大学副教授罗伯特·斯科菲尔德几十年来着迷的对象，他领导了这项研究。他的团队开发了在微小尺度上测量硬度、弹性、断裂能量、耐磨性和抗冲击性的技术。
但他们无法实际看到构成蚂蚁牙齿和其他微观动物工具的材料的结构，特别是在原子尺度上。这就是PNNL材料科学家Arun Devaraj和博士实习生Xiaoyue Wang进入的地方。Devaraj是原子探针断层扫描技术方面的专家。他使用聚焦离子束显微镜从蚂蚁牙齿的尖端取了一个微小的针样，然后使用原子探针断层扫描成像该针样，使团队能够识别蚂蚁牙齿尖端附近的原子排列。
使用这种技术，Devaraj和Wang首次记录了蚂蚁牙齿中锌原子的纳米尺度分布。
“我们可以看到锌在牙齿中均匀分布，这让我们感到惊讶，”Devaraj说。“我们预期锌会聚集在纳米结节中。”
研究团队估计，由于这些生物材料可以更锋利，它们使动物能够使用60％甚至更少的力，如果它们的工具是由类似于人类牙齿的材料制成的。因为所需的力较少，它们较小的肌肉消耗的能量也较少。这些优势可能解释了为什么每只蜘蛛、蚂蚁、其他昆虫、蠕虫、甲壳类动物和许多其他生物群都有这些专门的工具。
“人类工程师也可能从这种生物技巧中学习，”Schofield说。“例如，当加入锌时，蚂蚁牙齿的硬度从塑料的硬度增加到铝的硬度。虽然有更硬的工程材料，但它们往往更脆。”
从自然中学习是理解是什么使材料更强和更抗损伤的一种方式，Devaraj补充道。他目前正在使用能源部早期职业奖研究在原子尺度上使某些材料强和抗损伤的原则。“通过也在原子尺度上研究钢的微观结构，我们可以更好地理解改变材料的成分如何改变其抗损伤性，特别是应力腐蚀抗性和随时间的行为，”他说。“这对于设计需要抵抗数十年老化的结构，如核电站，尤其重要。”
该研究得到了国家科学基金会支持的先进材料表征研究中心的支持，这是一个位于俄勒冈大学的设施。部分工作在华盛顿州里奇兰的PNNL的环境分子科学实验室（EMSL）进行，这是一个能源部科学办公室的用户设施。