Kaken van metaal, het klinkt sensationeel, je moet het dan ook niet letterlijk nemen. Wat de oeroude zeeworm Perinereis cultrifera wel heeft zijn kaken die bestaan uit eiwitten en metaalionen. Daarmee zijn ze zo sterk als metaal, zodat de roofzuchtige borstelworm zijn prooi kan vermorzelen en opeten.
De bijzondere samenstelling van deze kaken heeft geleid tot een nieuwe term: biometalen. Dit concept ontwikkelt zich inmiddels tot een opkomend onderzoeksgebied binnen de biofysica.
Drie kenmerken van biometaal
Het idee is natuurlijk niet helemaal nieuw, maar eerder spraken wetenschappers van metaalachtige biomaterialen als ze het hadden over biologische materialen die qua sterkte of elektrische geleidbaarheid op metalen lijken. Biometalen worden echter specifieker gedefinieerd aan de hand van drie hoofdkenmerken: hun hardheid, de manier waarop ze reageren op mechanische belasting (vervorming) en de structuur die wordt gevormd door ionen en eiwitten.
Weense onderzoekers zoomden verder in op het metaalachtige gedrag van de kaken van de zeeworm. Hun doel was beter te begrijpen wat biometalen onderscheidt van andere natuurlijke materialen. Ze maten daarvoor onder meer de hardheid van de kaken met behulp van nano-indentatie, een techniek waarbij op microscopische schaal een materiaal wordt ingedrukt.
Leestip: Wetenschappers maken magneten zonder zeldzame metalen en dat is goed nieuws
Onverwacht effect
De resultaten bevestigden eerder onderzoek waaruit bleek dat metaalionen sterker geconcentreerd zijn aan de uiteinden van de kaken dan in de centrale delen. Deze hogere concentratie maakt de kaakpunten waarschijnlijk harder en beter geschikt om te bijten en voedsel te verpulveren. Vervolgens testten de onderzoekers de kaken met verschillende indrukdiepten tijdens de nano-indentatie. Daarbij ontdekten zij een onverwacht effect dat ook voorkomt bij metalen zoals koper en zilver.
Dit verschijnsel staat bekend als het Nix-Gao-grootte-effect bij nanoindentatie (vernoemd naar de onderzoekers William D. Nix en Huajian Gao). Het houdt in dat kleinere gebieden van een materiaal moeilijker zijn in te drukken dan grotere. Bij de kaken van de zeeworm lijken sterkere lokale vervormingen op microscopische schaal ervoor te zorgen dat kristaldefecten sterker in elkaar grijpen, waardoor de karakteristieke toename in hardheid bij kleinere afmetingen ontstaat.
Geen gewone metalen
De kaken van de borstelworm hebben verschillende eigenschappen gemeen met bekende metalen, maar er zijn ook enkele kenmerken die totaal anders zijn. “De kaken van borstelwormen vertoonden ook een elasticiteit die afhankelijk is van de grootte. Dat is een onderscheidend kenmerk van biometalen in vergelijking met standaard metalen zoals koper of zilver”, aldus auteur Christian Hellmich.
Het onderzoeksteam gebruikte wiskundige modellen om te verklaren hoe deze ongebruikelijke elastische eigenschappen op atomair niveau kunnen ontstaan, maar daar moet verder onderzoek inzicht in geven. “We zijn van plan de database uit te breiden door meer soorten te onderzoeken, zodat we het theoretische concept verder kunnen verfijnen en gerichte berekeningen kunnen uitvoeren. Misschien nog wel het interessantst is dat we de relatie willen onderzoeken tussen veranderingen in het erfelijk materiaal en de daaruit voortvloeiende materiaaleigenschappen”, besluit Hellmich.
Wil je niets van Scientias missen? Voeg Scientias toe als voorkeursbron op Google dan zie je al onze verhalen!
Uitgelezen? Luister ook eens naar de Scientias Podcast:
