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Un mapa 3D de átomos aclara que las interfaces a nanoescala de los dientes, pueden ayudar a diseñar materiales.

Los dientes y los huesos son estructuras importantes y complejas tantos en humanos como en otros animales, sin embargo, poco se sabe de su estructura química a escala atómica. Exactamente ¿qué les da esa conocida fuerza y dureza? y ¿Cómo controlan los organismos la síntesis de estos avanzados compuestos funcionales?

Actualmente, usando una herramienta de imagen a escala atómica muy sofisticada del diente de una criatura del mar, dos investigadores de la Northwestern University han revelado parte del misterio de la interfaz orgánica/inorgánica que descansa en el corazón de los dientes y la estructura ósea. Son los primeros en producir un mapa tridimensional de la ubicación e identidad de millones de átomos individuales del complejo material híbrido que, literalmente, permite al animal masticar las rocas.

Demostrar que la tomografía de sonda atómica (APT) se puede utilizar para saber si esos materiales abren la posibilidad de hacer un seguimiento del fluoruro en los dientes, y de los medicamentos contra el cáncer y la osteoporosis en los huesos, a escalas de longitud que antes eran inaccesibles. El conocimiento detallado de las interfaces orgánicas e inorgánicas, también ayudará a los científicos para un diseño racional de nuevos materiales útiles, fabricando una electrónica flexible, polímeros y materiales nanocompuestos, como materiales fotovoltaicos orgánicos, que combinan las mejores propiedades de los materiales orgánicos e inorgánicos.

"La interfaz entre los materiales orgánicos y los inorgánicos juega un papel importante en el control de las propiedades y la estructura", señaló Derk Joester, autor principal del artículo. "¿Cómo crean y controlan los organismos estos materiales? Necesitamos entender esta arquitectura en nanoescala para diseñar nuevos materiales de forma inteligente. De lo contrario, no tendremos ni idea de lo que está pasando."

Joester es. profesor de Materiales y fabricación en la Escuela McCormick de Ingeniería y Ciencias Aplicadas. Lyle Gordon, estudiante de doctorado del laboratorio de Joester, es el otro autor del documento. Y los resultados del estudio ha sido publicados en la revista Nature.

Los dos se han propuesto encontrar esas fibras orgánicas que saben que era una parte importante de la estructura de los dientes, ocultos tras la dura capa externa del diente, hecha de magnetita. Su mapeo cuantitativo de los dientes muestra que las fibras a base de carbono, de cada 5 a 10 nanómetros de diámetro, también contenía iones de sodio o de magnesio. Joester y Gordon han sido los primeros en obtener una prueba directa de la ubicación, dimensión y la composición química de las fibras orgánicas en el interior del mineral.

Quedaron sorprendidos por la heterogeneidad química de las fibras, que alude a cómo los organismos modulan la química a nivel de nanoescala. JJoester y Gordon están ansiosos por aprender más acerca de cómo esta interfaz de fibras orgánicas con los minerales inorgánicos, que es clave para comprender los materiales híbridos.

"La dureza de los dientes proviene de esta mezcla de materiales orgánicos e inorgánicos y de las interfaces entre ellas," indicó Joester. "Si bien, en un principio, esto es bien conocido, es interesante pensar que hayamos pasado por alto cómo unos cambios sutiles en la composición química de las interfaces de nanoescala, pueden, por ejemplo, desempeñar un papel en la formación del hueso o en la difusión de fluoruro dentro del esmalte dental. En este aspecto, la tomografía de sonda atómica tiene el potencial de revolucionar nuestra comprensión."

Dicha tomografía (APT) reproduce, átomo por átomo, reconstruyendo en 3-D una muestra, con resolución sub-nanométrica. Muchos no pensaban que la APT pudiese analizar un material compuesto de partes orgánicas e inorgánicas.

Afortunadamente para Joester y Gordon, trabajaron con Seidman David, líder en el campo de manejo de la APT para estudiar los metales. Los científicos también pudieron intercambiar ideas con los ingenieros de desarrollo de la sonda atómica 3-D de CAMECA, una empresa de instrumentación científica en las cercanías de Madison, Wisconsin.

Tomaron imágenes de los dientes del chiton, un pequeño molusco marino, porque se sabe mucho sobre el proceso de biomineralización. El chiton vive en el mar y se alimenta de algas que encuentra en las rocas. Renueva continuamente nuevas filas de dientes —una por día— para reemplazar los dientes gastados por su uso, que a modo de cinta transportadora, va moviendo los dientes más viejos hacia abajo de la rádula de la boca de la criatura, por donde se alimenta.

Los dientes del chiton se parecen a los dientes humanos en que tienen una capa exterior dura y resistente, equivalente a nuestro esmalte, y un núcleo más blando. En lugar de esmalte, la chitones mastican la roca usando la magnetita, un óxido de hierro muy duro, que da a sus dientes un lustre negro.

Los investigadores extrajeron muestras de tamaño micrométrico del borde de ataque de los dientes. Con la herramienta de enfoque del haz de iones de las instalaciones del Northwestern University Atomic and Nanoscale Characterization Experimental Center, se tomaron estas muestras en puntas muy afiladas (menos de 20 nanómetros de diámetro). Este proceso se parece al mecanismo de afilar un lápiz, aunque con una sobrecarga de corriente de iones de galio.

La técnica de la APT aplica un extremadamente alto campo eléctrico a la muestra, los átomos de la superficie se ionizan, salen volando y chocan contra un detector de imagen (similar a los que se encuentran en los equipos de visión nocturna). Se va arrancando átomo por átomo y capa por capa, como quien pela una cebolla. Se utilizan luego, métodos de computación informática para calcular la ubicación original de los átomos, produciendo un mapa en 3-D, o tomografía de los millones de átomos de la muestra.

Joester y Gordon, están ahora estudiando el esmalte de los dientes de un vertebrado, y esperan aplicar la APT al hueso, que también está hecho de partes orgánicas e inorgánicas, para aprender más acerca de su estructura a escala manométrica.

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Editor del blog Pedro Donaire

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