研究发现锌原子涂层将蚂蚁的口器变成坚硬、锋利的工具

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人们可能注意到，蚂蚁、白蚁和其他小型节肢动物有一种非凡的能力，可以咬断木材和令人惊讶的各种其他材料。昆虫的下颚是由蛋白质和多糖聚合物甲壳素组合而成的，甲壳素通过氢键交联，产生甲壳素微纤维。甲壳素很坚韧，当与其他材料如碳酸钙混合时，会形成更坚韧的材料，如龙虾和螃蟹的外壳。

这方面的一个重要例子是，当加入8%的锌时，甲壳素变得足够坚硬和有韧性，使非常尖锐、仔细的结构，如蚂蚁的口器非常耐用。

在俄勒冈大学研究人员Robert Schofield的领导下，一个生物物理学家小组一直在测量蚂蚁“牙齿”和其他微型动物工具的硬度、弹性、断裂能量、耐磨性和抗冲击性，以了解更多关于它们如何工作以及如何在更大范围内模仿它们。

为了实现这一目标，该团队需要在原子尺度上观察蚂蚁的“牙齿”，因此PNNL材料科学家Arun Devaraj和博士实习生Xiaoyue Wang应用了原子探针断层扫描。这涉及到用离子束显微镜收集的针状标本，并将其置于激光或高电压脉冲下，使原子从表面蒸发，以产生三维成像和化学成分测量，尺度约为1/10纳米。

通过这种技术，该团队可以绘制出蚂蚁“牙齿”上的单个原子。他们发现，锌均匀地分布在“牙齿”上，而不是像他们预期的那样聚集在纳米级的结节中。这种分布使“牙齿”更加锋利，因此蚂蚁或其他生物在刺穿材料时只需使用与人类牙齿类似的材料所需的60%或更少的力量。这不仅使这种结构更加有效，而且还可以解释为什么节肢动物、甲壳动物、蠕虫和其他生物都进化出下颚或类似工具。

“人类工程师也可能从这种生物技巧中学习，”Schofield说。“例如，蚂蚁牙齿的硬度从大约塑料的硬度增加到加入锌后的铝的硬度。虽然有更硬的工程材料，但它们往往更脆。”

这项研究发表在《科学报告》上。