Ένα αρχαίο θαλάσσιο σκουλήκι, που ζει ακόμα και σήμερα, μπορεί να κρατά το κλειδί για μια ολόκληρη νέα κατηγορία φυσικών υλικών. Τα σαγόνια του δεν μοιάζουν με τίποτα που έχουν ξαναδεί οι επιστήμονες.
Το παιχνίδι των «20 Ερωτήσεων» και η φύση του μυστηρίου
«Ζώο, φυτό ή ορυκτό;» — αν παίζατε αυτό το παιχνίδι για το σκουλήκι Perinereis cultrifera, η απάντηση θα ήταν εκπληκτικά περίπλοκη. Όπως και άλλα αρπακτικά είδη πολυχαίτων, αυτό το πλάσμα διαθέτει σαγόνια φτιαγμένα από δομικές πρωτεΐνες και ιόντα, τα οποία χρησιμοποιεί για να δαγκώνει, να συνθλίβει και να καταναλώνει την τροφή του.
Τι κάνει ένα «βιο-μέταλλο» διαφορετικό;
Η ασυνήθιστη σύσταση και συμπεριφορά αυτών των σαγονιών οδήγησε τους ερευνητές στο να τα περιγράψουν με έναν νέο όρο: «βιο-μέταλλα». Η έννοια αυτή αναδύεται ως ένα νέο πεδίο της βιοφυσικής έρευνας.
Στο παρελθόν, οι επιστήμονες χρησιμοποιούσαν φράσεις όπως «μεταλλικά βιοϋλικά» ή «βιοϋλικά με μεταλλικές ιδιότητες» για βιολογικές ουσίες που θυμίζουν μέταλλα σε αντοχή ή ηλεκτρική αγωγιμότητα. Τα βιο-μέταλλα, ωστόσο, ορίζονται πιο συγκεκριμένα. Οι ερευνητές τα ταξινομούν με βάση τρία βασικά χαρακτηριστικά: τη σκληρότητα, τον τρόπο που αντιδρούν στην παραμόρφωση και τη δομή που σχηματίζουν τα ιόντα με τις πρωτεΐνες.
Μεταλλικά ιόντα δυναμώνουν τις άκρες των σαγονιών
Σε μια μελέτη που δημοσιεύθηκε στο περιοδικό Biophysics Reviews, επιστήμονες από το TU Wien (Τεχνικό Πανεπιστήμιο της Βιέννης) και το Πανεπιστήμιο της Βιέννης διερεύνησαν τη μεταλλική συμπεριφορά των σαγονιών του θαλάσσιου σκουληκιού. Στόχος τους ήταν να αποσαφηνίσουν τι διακρίνει τα βιο-μέταλλα από άλλα φυσικά υλικά.
Η ομάδα μέτρησε πρώτα τη σκληρότητα των σαγονιών χρησιμοποιώντας νανοδιείσδυση, μια τεχνική που πιέζει ένα υλικό σε μικροσκοπική κλίμακα, και συνδύασε αυτές τις δοκιμές με χημική ανάλυση και λεπτομερή απεικόνιση.
Τα αποτελέσματα επιβεβαίωσαν προηγούμενες έρευνες: τα μεταλλικά ιόντα είναι πιο συγκεντρωμένα στις άκρες των σαγονιών παρά στο κέντρο. Αυτή η υψηλότερη συγκέντρωση πιθανότατα κάνει τις άκρες πιο σκληρές και καταλληλότερες για δάγκωμα και σύνθλιψη.
Το φαινόμενο Nix-Gao: μια έκπληξη από τη φύση
Οι ερευνητές δοκίμασαν στη συνέχεια τα σαγόνια σε διάφορα βάθη διείσδυσης. Ανακάλυψαν ένα απροσδόκητο φαινόμενο, γνωστό ως το φαινόμενο μεγέθους νανοδιείσδυσης Nix-Gao, το οποίο παρατηρείται επίσης σε μέταλλα όπως ο χαλκός και το ασήμι.
Σύμφωνα με αυτό το φαινόμενο, οι μικρότερες περιοχές ενός υλικού μπορεί να είναι πιο δύσκολο να παραμορφωθούν. Στα σαγόνια του σκουληκιού, οι απότομες αλλαγές στην παραμόρφωση σε μικροσκοπικές περιοχές αυξάνουν την αλληλεμπλοκή των ατελειών στην ατομική δομή, παράγοντας αυτό το χαρακτηριστικό φαινόμενο.
Δεν συμπεριφέρονται ακριβώς σαν μέταλλα
Παρόλο που τα σαγόνια μοιράζονται αρκετά χαρακτηριστικά με τα γνωστά μέταλλα, έχουν και μηχανικές ιδιότητες που τα ξεχωρίζουν.
«Τα σαγόνια των πολυχαίτων παρουσίασαν επίσης ελαστικότητα που εξαρτάται από το μέγεθος. Αυτό είναι ένα χαρακτηριστικό γνώρισμα των βιο-μετάλλων σε σύγκριση με τα συμβατικά κρυσταλλικά μέταλλα όπως ο χαλκός ή το ασήμι», ανέφερε ο συγγραφέας της μελέτης Christian Hellmich.
Η ομάδα χρησιμοποίησε μαθηματικά μοντέλα για να εξηγήσει πώς μπορεί να προκύπτουν αυτά τα ασυνήθιστα ελαστικά φαινόμενα σε ατομικό επίπεδο.
Η φύση ως έμπνευση για νέα υλικά
«Σχεδιάζουμε να επεκτείνουμε την πειραματική βάση διερευνώντας πρόσθετα είδη, να βελτιώσουμε τη θεωρητική ιδέα και να εκτελέσουμε εξειδικευμένους υπολογισμούς, και ίσως το πιο ενδιαφέρον, να εξερευνήσουμε τη σύνδεση μεταξύ γενετικών παρεμβάσεων και του αντίστοιχου σχεδιαστικού χώρου υλικών», δήλωσε ο Hellmich.
«Όλα αυτά συνοδεύονται από πραγματικό ενθουσιασμό για την ομορφιά, την κομψότητα και την εκλέπτυνση που συναντάμε στη φύση», πρόσθεσε.
Οι ερευνητές πιστεύουν ότι τα βιο-μέταλλα θα μπορούσαν να ανοίξουν νέους δρόμους στην επιστήμη των υλικών, αποκαλύπτοντας πόσο εξελιγμένα μπορεί να είναι τα σχέδια της φύσης — και ίσως εμπνέοντας τους ανθρώπους να δημιουργήσουν νέα συνθετικά υλικά εμπνευσμένα από αυτά τα αρχαία πλάσματα.