Acanthopleura hirtosa chiton radula. La radula complète se compose de 73 dents avec différents stades de minéralisation. L'image ci-dessus montre les dents avant et après le début de la minéralisation en magnétite. La couleur jaune/orange résulte de la transformation de phase d'une forme de fer (ferrihydrite) à une autre (magnétite). Crédit :Jeremy Shaw, Université d'Australie occidentale
La biologie nous fournit une source d'inspiration constante pour concevoir et explorer de nouveaux matériaux fonctionnels.
Le velcro, par exemple, est né de la façon dont les bavures des plantes s'accrochent aux vêtements, et le nez des trains à grande vitesse suit la conception du bec d'un martin-pêcheur. La science de l'adaptation des conceptions de la nature pour résoudre des problèmes d'ingénierie complexes est connue sous le nom de biomimétisme.
Maintenant, notre équipe de recherche de l'Université de Melbourne, l'Université d'Australie occidentale et l'Université de Californie, Bord de rivière, sont devenus un mollusque marin commun, le chiton, pour des indices sur la façon de concevoir des poids légers, matériaux durs et résistants à l'abrasion d'une manière propre et économe en énergie.
Le chiton Acanthopleura hirtosa, trouvé dans les zones intertidales du littoral australien, minéralise ses propres dents en utilisant du fer extrait de l'eau de mer pour créer un revêtement dentaire en magnétite. Cette substance est le biominéral le plus dur connu, plus résistant que l'inox.
Les dents magnétiques du chiton ressemblent à des cuillères recouvertes de fer assemblées dans un organe en forme de bande transporteuse, connu sous le nom de radula. De nouvelles dents sont constamment produites pour remplacer celles qui sont usées en se nourrissant d'algues trouvées dans les roches sur lesquelles elles paissent.
Nous espérons apprendre et adapter les principes de conception de la stratification minérale dans les dents de chiton pour offrir un faible coût, matériaux fonctionnels économes en énergie qui peuvent être appliqués dans des applications industrielles, y compris les revêtements de surface dans la construction, applications minières et médicales, agents de contraste pour l'imagerie médicale et la purification de l'eau.
La magnétite est actuellement produite à l'aide de techniques énergivores utilisant des températures élevées et des produits chimiques acides et basiques forts. En revanche, chiton a fait évoluer et optimisé ce procédé pour assembler des matériaux de qualité supérieure dans de l'eau de mer à 15-20 °C, en extrayant le fer de leur environnement marin.
La loupe de bardane accrochée aux vêtements a été l'inspiration pour le velcro. Crédit :Shutterstock
L'un des aspects les plus difficiles du biomimétisme est de comprendre les éléments constitutifs fondamentaux et les processus de croissance minérale utilisés dans la nature.
En appliquant de nouvelles techniques de microscopie magnétique, pionnier à l'Université de Melbourne, notre équipe a pu étudier comment ces animaux commencent à assembler ces matériaux uniques à l'échelle nanométrique.
La technique d'imagerie utilise une fine feuille de cristal de diamant synthétique d'environ quatre millimètres carrés. Pour créer les capteurs, nous enlevons deux atomes de carbone de la structure habituelle du diamant, en les remplaçant par un atome d'azote et en laissant un espace atomique, ou vacance, où devrait être l'autre atome de carbone.
La combinaison de l'atome d'azote, la lacune et un électron supplémentaire créent ce que l'on appelle le défaut de lacune d'azote (NV), qui fait office de capteur.
Lorsque la lumière verte d'un microscope optique est projetée sur la surface du diamant, les défauts NV renvoient la lumière rouge, dont la force dépend du champ magnétique local.
Les défauts NV sont incroyablement sensibles et peuvent détecter des champs magnétiques un million de fois plus faibles que votre aimant de réfrigérateur standard.
Cette sensibilité nous permet de localiser la source du champ magnétique des biominéraux de fer, et corréler sa position dans la dent.
À l'aide du microscope magnétique en diamant, nous avons maintenant produit la première image magnétique de dents de chiton aux premiers stades de la minéralisation. Le champ magnétique a été imagé à partir de nanoparticules de magnétite ainsi que de son précurseur biominéral de fer, ferrihydrite.
Image en microscopie magnétique 2D d'une seule dent de chiton d'Acanthopleura Hirtosa. L'échelle de couleurs représente la force du champ magnétique émanant de la dent et les flèches indiquent la direction du champ magnétique des nanoparticules de magnétite. Crédit :Université de Melbourne
Les cartes nous permettent de visualiser le schéma de minéralisation utilisé par le chiton pour convertir la ferrihydrite en magnétite dans les dents en développement, avec une résolution d'imagerie cent fois inférieure à la largeur d'un cheveu humain.
Ce que nous voyons, c'est que les dents recrutent de la ferrihydrite des côtés antérieur et postérieur des dents (des surfaces avant et arrière de la dent) pour entraîner la minéralisation de la magnétite.
Plus intéressant, quand on regarde le champ magnétique des nanoparticules de magnétite, nous constatons que les domaines magnétiques de la magnétite sont alignés et ordonnés sur toute la section de la dent.
Il s'agissait d'une découverte inattendue et fascinante, car des recherches antérieures utilisant la microscopie électronique semblaient ne montrer aucun ordre cristallographique dans ces matériaux, cependant, nos images magnétiques montrent que les nanoparticules de magnétite individuelles qui émergent aux premiers stades de la minéralisation présentent un degré élevé d'ordre magnétique.
Cela soulève la question :le magnétisme est-il impliqué dans l'auto-assemblage de ces matériaux ultra-durs ?
Pour aider à répondre à cela, notre équipe se concentrera sur l'application de la technologie de microscopie magnétique à l'imagerie d'analogues synthétiques dans l'espoir de comprendre l'impact des propriétés magnétiques sur l'auto-assemblage de la magnétite. Nous espérons que ces nouvelles connaissances pourront conduire à la production de nouveaux matériaux magnétiques bio-inspirés aux propriétés améliorées.
Apprendre de la nature est un défi, mais la nouvelle technologie aide à percer ses secrets. Notre recherche est un autre exemple de la façon dont la technologie quantique peut être utilisée pour explorer le monde complexe de la biologie.
