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Nanoscale chemical tomography of buried organic- inorganic interfaces in the chiton tooth

机译:Chiton牙齿中埋藏的有机-无机界面的纳米级化学层析成像

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摘要

Biological organisms possess an unparalleled ability to control the structure and properties of mineralized tissues. They are able, for example, to guide the formation of smoothly curving single crystals or tough, lightweight, self-repairing skeletal elements1. In many biominerals, an organic matrix interacts with the mineral as it forms, controls its morphology and polymorph, and is occluded during mineralization. The remarkable functional properties of the resulting composites-such as outstanding fracture toughness and wear resistance-can be attributed to buried organic-inorganic interfaces at multiple hierarchical levels. Analysing and control-ling such interfaces at the nanometre length scale is critical also in emerging organic electronic and photovoltaic hybrid materials6. However, elucidating the structural and chemical complexity of buried organic-inorganic interfaces presents a challenge to state-of-the-art imaging techniques. Here we show that pulsed-laser atom-probe tomography reveals three-dimensional chemical maps of organic fibres with a diameter of 5-10 nm in the surrounding nano-crystalline magnetite (Fe_3O_4) mineral in the tooth of a marine mollusc, the chiton Chaetopleura apiculata. Remarkably, most fibres co-localize with either sodium or magnesium. Furthermore, clustering of these cations in the fibre indicates a structural level of hierarchy previously undetected. Our results demonstrate that in the chiton tooth, individual organic fibres have different chemical compositions, and therefore probably different functional roles in controlling fibre formation and matrix-mineral interactions. Atom-probe tomography is able to detect this chemical/structural heterogeneity by virtue of its high three-dimensional spatial reso-lution and sensitivity across the periodic table. We anticipate that the quantitative analysis and visualization of nanometre-scale inter-faces by laser-pulsed atom-probe tomography will contribute greatly to our understanding not only of biominerals (such as bone, dentine and enamel), but also of synthetic organic-inorganic composites.%牙齿和骨头等很多生物矿化组织是无机物和有rn机物的混合物,其性质由它们难解的内部结构rn决定。现在,Lyle Gordorl和Derk,Joester介绍rn了怎样利用“脉冲激光原子探针断层扫描术”rn(APT)(这是在冶金和半导体研究中的一种成rn熟方法)来阐明这种生物材料及其人工合成的rn类似物质的内部结构和化学复杂性。该研究rn中所用的材料是来自一种被称为“Eastemrnbeaded chiton”的海洋软体动物的一颗牙齿。rn所获得的高分辨率3D化学图显示了牙齿内的rn不同有机纤维,它们有不同的组成,因此在控rn制有机基质与无机矿物相之间的相互作用中很rn可能也有不同的功能。除了揭示自然出现的物rn质的性质外,APT方法在该领域的这种应用也rn应当能够为设计从生物得到启发的、有医学和rn工业用途的复合材料提供有用数据。
机译:生物有机体具有控制矿化组织的结构和特性的无与伦比的能力。例如,它们能够引导平滑弯曲的单晶或坚韧,轻便,自我修复的骨骼元素的形成1。在许多生物矿物中,有机基质与矿物质形成时相互作用,控制其形态和多晶型,并在矿化过程中被封闭。所得复合材料的显着功能特性(例如出色的断裂韧性和耐磨性)可归因于多个层次级别的有机-无机掩埋界面。在新兴的有机电子和光伏混合材料中,以纳米级尺度分析和控制此类界面也至关重要。然而,阐明掩埋的有机-无机界面的结构和化学复杂性对现有的成像技术提出了挑战。在这里,我们显示脉冲激光原子层析成像揭示了海洋软体动物(Chiton Chaetopleura)牙齿中周围的纳米晶磁铁矿(Fe_3O_4)矿物中直径为5-10 nm的有机纤维的三维化学图。阿皮丘拉值得注意的是,大多数纤维与钠或镁共定位。此外,这些阳离子在纤维中的聚集表明先前未检测到的层次结构水平。我们的结果表明,在Chiton牙齿中,单个有机纤维具有不同的化学组成,因此在控制纤维形成和基质-矿物相互作用方面可能具有不同的功能。原子探针层析成像技术凭借其高三维空间分辨率和整个元素周期表的灵敏度,能够检测到这种化学/结构异质性。我们预期通过激光脉冲原子探针层析成像技术对纳米级界面的定量分析和可视化将大大有助于我们不仅对生物矿物(例如骨骼,牙本质和牙釉质),而且对合成有机无机材料的理解现在,Lyle Gordorl和Derk,Joester介绍了一个怎样利用“脉冲”的复合物。%牙齿和骨骼等很多生物化学成分是无机物和有rn机物的混合物,其性质由其难解的内部结构rn决定。激光原子探针断层扫描术” rn(APT)(这是在冶金和半导体研究中的一种成rn熟方法)来替代这种生物材料及其人工合成的rn类似物质的内部结构和化学复杂性。该研究rn中所用的材料是从一种被称为“ Eastemrnbeaded chiton”的海洋软件动物的一颗牙齿。rn所获得的逐步3D化学图显示了牙齿内的rn不同有机纤维,它们有不同的组成,因此在控rn制有机基质与无机矿物相之间的相互作用中很rn可能也有不同的功能。除了发现自然出现的物rn质的性质外,APT方法在该领域的这种应用也rn可行能够为设计从生物得到启发的,有医学和rn工业用途的复合材料提供有用的数据。

著录项

  • 来源
    《Nature》 |2011年第7329期|p.194-197qt002|共5页
  • 作者

    Lyle M. Gordon; Derk Joester;

  • 作者单位

    Northwestern University, Department of Materials Science and Engineering, 2220 Campus Drive, Evanston, Illinois 60208, USA;

    Northwestern University, Department of Materials Science and Engineering, 2220 Campus Drive, Evanston, Illinois 60208, USA;

  • 收录信息 美国《科学引文索引》(SCI);美国《工程索引》(EI);美国《生物学医学文摘》(MEDLINE);美国《化学文摘》(CA);
  • 原文格式 PDF
  • 正文语种 eng
  • 中图分类
  • 关键词

  • 入库时间 2022-08-18 02:54:27

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