科學家揭開了螞蟻口器咬合力驚人的秘密 鋅原子在牙齒上均勻分佈

為了讓消費電子產品的尺寸不斷縮小,工程師們也需要越來越小巧、且堅固的製造工具。而周三發表於《科學報告》雜誌上的一項新研究,就從螞蟻牙齒上獲得了新的靈感。據悉,這種昆蟲的微型咀嚼器比人的一根頭髮絲還細,但卻擁有強大的咬合力,足以切開堅固的葉片而不會導致自身受到任何損壞。

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(圖自:University of Oregon / Robert Schofield)

研究人員稱,這一切都與螞蟻牙齒鋅原子的均勻排列有關,使得動物在咬東西時能夠均勻分配咬合力。不過同樣的特性,有朝一日也可用到人造工具上。

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研究配圖 – 1:螞蟻口器元素分布圖

美國能源部太平洋西北國家實驗室的高級研究科學家 Arun Devaraj,在周三發表於《科學報告》雜誌上的一項研究中,詳細介紹了有關螞蟻口器成分研究的論文。

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研究配圖 – 2:樣品屬性測量圖像

Arun Devaraj 稱:“均勻分佈是它的基礎秘訣,且螞蟻口器甚至可在不劃破人類皮膚的情況下進行切割 —— 而我們甚至難以用自己的牙齒做到這一點”。

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研究配圖 – 3:硬度 / 彈性模量比較

為深入了解大自然的秘密,研究人員首先分離出了螞蟻口器的一小塊。螞蟻在彎曲的外下頜骨(或下頜)上有兩顆牙齒,有時甚至更多顆。

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研究配圖 – 4:機械測試結果

然後藉助原子探針斷層掃描這項逆向分析技術,研究人員得以精確描繪出物體內每個原子的所在位置。拿到這些信息后,你就可以重建物體的 3D 模型,只是這次用到了原子的識別上。

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研究配圖 – 5:材料特性圖表

研究人員驚奇地發現,鋅原子在螞蟻口器中起到了重要作用。而帶來螞蟻咬傷“刺痛感”的本質,更是可以歸咎於它以極其均勻的方式來分佈,而不是簇擁成團。

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研究配圖 – 6:螞蟻下頜牙齒中,Zn-HEB 的原子探針斷層掃描數據。

正因這項均勻分佈的原子特性,螞蟻在擁有強大咬合力的同時,實際上也只需用到大約 10~20% 的鋅元素。此外如果與人類牙齒類似,螞蟻就只能使出大約 60% 的力。

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研究配圖 – 7:與其它含有 HEB 工具的節肢動物的對比(比如蟹鉗)

Arun Devaraj 總結道:“此前,我們已研究過蠍子與蜘蛛的蜇傷。受這些材料的啟發,未來的有機和無機化學家們,將能夠合成更加堅固的材料”。