Les dents et les os sont des structures importantes et complexes chez l'homme et d'autres animaux, mais on sait peu de choses sur leur structure chimique à l'échelle atomique. Ce qui leur donne exactement leur ténacité renommée, dureté et résistance? Comment les organismes contrôlent-ils la synthèse de ces composites fonctionnels avancés ?

Maintenant, en utilisant un outil d'imagerie à l'échelle atomique très sophistiqué sur la dent d'une créature marine, deux chercheurs de la Northwestern University ont levé une partie du mystère des interfaces organiques/inorganiques qui sont au cœur de la structure des dents et des os. Ils sont les premiers à produire une carte tridimensionnelle de l'emplacement et de l'identité de millions d'atomes individuels dans le matériau hybride complexe qui permet à l'animal de littéralement mâcher de la roche.

Démontrer que la tomographie par sonde atomique (APT) peut être utilisée pour interroger de tels matériaux ouvre la possibilité de suivre le fluorure dans les dents et les médicaments contre le cancer et l'ostéoporose dans les os (à des échelles de longueur auparavant inaccessibles). La connaissance détaillée des interfaces organiques/inorganiques aidera également les scientifiques à concevoir rationnellement de nouveaux matériaux utiles - électronique flexible, polymères et matériaux nanocomposites, comme le photovoltaïque organique - qui combine les meilleures propriétés des matériaux organiques et inorganiques.

Les résultats seront publiés le 13 janvier par la revue La nature .

"L'interface entre les matériaux organiques et inorganiques joue un grand rôle dans le contrôle des propriétés et de la structure, " a déclaré Derk Joester, auteur principal de l'article. "Comment les organismes fabriquent-ils et contrôlent-ils ces matériaux ? Nous devons comprendre cette architecture à l'échelle nanométrique pour concevoir intelligemment de nouveaux matériaux. Sinon, nous n'avons vraiment aucune idée de ce qui se passe."

Joester est professeur junior Morris E. Fine en matériaux et fabrication à la McCormick School of Engineering and Applied Science. Lyle Gordon, un doctorant au laboratoire de Joester, est l'autre auteur de l'article.

Les deux se sont mis à trouver les fibres organiques qu'ils savaient être une partie importante de la structure de la dent, enterré dans la couche externe dure de la dent, fait de magnétite. Leur cartographie quantitative de la dent montre que les fibres à base de carbone, chacun de 5 à 10 nanomètres de diamètre, contenait également des ions sodium ou magnésium. Joester et Gordon sont les premiers à avoir une preuve directe de l'emplacement, dimension et composition chimique des fibres organiques à l'intérieur du minéral.

Ils ont été surpris par l'hétérogénéité chimique des fibres, qui fait allusion à la façon dont les organismes modulent la chimie à l'échelle nanométrique. Joester et Gordon sont impatients d'en savoir plus sur la façon dont les fibres organiques s'interfacent avec les minéraux inorganiques, qui est la clé pour comprendre les matériaux hybrides.

« La ténacité de la dent vient de ce mélange de matériaux organiques et inorganiques et des interfaces entre eux, " Joester a dit. " Bien que cela soit en principe bien connu, il est intrigant de penser que nous avons peut-être oublié comment des changements subtils dans la composition chimique des interfaces à l'échelle nanométrique peuvent jouer un rôle dans, par exemple, la formation osseuse ou la diffusion de fluorure dans l'émail des dents. À cet égard, La tomographie par sonde atomique a le potentiel de révolutionner notre compréhension."

La tomographie par sonde atomique (APT) produit un atome par atome, Reconstruction 3-D d'un échantillon avec une résolution sub-nanométrique. Mais beaucoup dans le domaine ne pensaient pas qu'APT fonctionnerait pour analyser un matériau composé de parties organiques et inorganiques.

Heureusement pour Joester et Gordon, Northwestern a à la fois David Seidman, un leader dans le domaine qui utilise APT pour étudier les métaux, et deux des rares instruments APT dans le pays. (Il y en a moins d'une douzaine.) Seidman, Walter P. Murphy Professeur de science et d'ingénierie des matériaux, a encouragé Joester à prendre le risque et à utiliser APT pour étudier les architectures biologiques. Les scientifiques ont également pu échanger avec les ingénieurs développant des instruments de sonde atomique 3D à la CAMECA, une société d'instrumentation scientifique à proximité de Madison, Wisconsin.

Joester et Gordon ont imagé les dents du chiton, un petit mollusque marin, car on en sait beaucoup sur le processus de biominéralisation. Le chiton vit dans la mer et se nourrit d'algues trouvées sur les rochers. Il fabrique continuellement de nouvelles rangées de dents - une par jour - pour remplacer les dents matures mais usées; en mode tapis roulant, les dents plus âgées descendent de la radula en forme de langue de la créature vers la bouche où elle se nourrit.

Les dents de chiton ressemblent aux dents humaines en ce sens qu'elles ont une couche externe dure et résistante - équivalente à notre émail - et un noyau plus doux. Au lieu de l'émail, les chitons à mâcher utilisent de la magnétite, un oxyde de fer très dur, ce qui donne à leurs dents un éclat noir.

Les chercheurs ont extrait des échantillons de la taille d'un micron du bord d'attaque de la dent. À l'aide d'un outil à faisceau d'ions focalisé à l'installation centrale du centre expérimental de caractérisation atomique et à l'échelle nanométrique de la Northwestern University, ces échantillons ont été façonnés en pointes très pointues (moins de 20 nanomètres de diamètre). Le processus rappelle l'affûtage d'un crayon, mais avec un flux suralimenté d'ions gallium.

La technique APT applique un champ électrique extrêmement élevé à l'échantillon; les atomes à la surface s'ionisent, s'envoler et heurter un détecteur d'imagerie (semblable à ceux que l'on trouve dans les équipements de vision nocturne). Les atomes sont arrachés atome par atome et couche par couche, comme éplucher un oignon. Des méthodes informatiques sont ensuite utilisées pour calculer l'emplacement d'origine des atomes, produire une carte 3D ou un tomogramme de millions d'atomes dans l'échantillon.

Joester et Gordon étudient maintenant l'émail des dents d'un vertébré et prévoient d'appliquer l'APT à l'os, qui est également composé de parties organiques et inorganiques, pour en savoir plus sur sa structure à l'échelle nanométrique.