Small Structures:石鳖超硬牙中氧化铁生物矿物质的介晶排列及相变

传统的材料合成加工所需要的条件通常要求苛刻且可能严重污染环境,这也极大地影响了其收益,因此急需发展绿色加工方式。而生物界的有机物在动力学调控下的结晶过程中,往往可以制造出许多结构精细、复杂且机械性能优越的材料。比如,石鳖是一种海洋软体动物,但其齿舌却是整个动物王国中最坚硬耐磨的牙齿。最大的石鳖属是斯特勒氏隐石鳖(Cryptochiton stelleri),其牙齿由核壳结构组成。在摄食过中,它们经常利用牙齿磨蚀岩石基底,因此其牙齿常有损坏但又及时修复。这些牙齿的后端为不含矿物质的透明几丁质有机支架,其次是由水铁矿组成的红褐色矿化结构,最后是完全成熟的、覆盖磁铁矿的小齿和一个磷铁矿芯。

之前对这些牙齿的微观结构分析发现,其拥有三种不同的结构:近表面的各向同性纳米颗粒,其下方是高度各向异性沿齿尖长轴排列的纳米棒,然后是一个由短长宽比且排列较少的纳米棒组成的区域。齿壳内高度整齐排列的纳米棒为成熟的牙齿提供了优良的刚度和耐磨性。如此完美的超硬材料却是在生理条件下合成的,这吸引了大量科学家们对其形成过程进行研究。研究表明,在斯特勒氏隐石鳖齿内这些磁铁矿纳米棒的发育过程中,最初的矿物相是由随机定向的水铁矿纳米颗粒组成的,这些纳米颗粒在几丁质纤维支架上形成核,促进了牙齿的生长和相变为磁铁矿。然而,对于这些开始阶段聚堆的水铁矿颗粒超微结构及其向磁铁矿转变的研究尚不明确。

美国加州大学尔湾分校材料科学与工程系David Kisailus教授课题组依次对牙矿化整体过程、早期牙中的水铁矿介晶、球形介晶纳米结构微粒、水铁矿向磁铁矿的相变以及磁铁矿单晶体的形成进行研究和论述,并在文章最后强调了该工作的重要性,即通过探究完整的矿化途径有助于促进我们对于有机控制矿化形成超硬材料及耐磨材料的理解,并最终为多种工业应用提供生物学理论基础。

论文信息:

Mesocrystalline Ordering and Phase Transformation of Iron Oxide Biominerals in the Ultrahard Teeth of Cryptochiton stelleri

Taifeng Wang, Wei Huang, Cong Huy Pham, Satoshi Murata, Steven Herrera, Nathan D. Kirchhofer, Bassim Arkook, Dejan Stekovic, Mikhail E. Itkis, Nir Goldman, Luis Zepeda-Ruiz, Mikhail Zhernenkov, Michiko Nemoto, Atsushi Arakaki, David Kisailus*

Small Structures

DOI: 10.1002/sstr.202100202

https://doi.org/10.1002/sstr.202100202