Macro-opname van de roofzuchtige zeeworm Perinereis cultrifera met zijn krachtige kaken.
De oeroude zeeworm Perinereis cultrifera beschikt over een luguber wapen: kaken die zich qua hardheid kunnen meten met metalen. Deze roofzuchtige borstelworm gebruikt een complexe structuur van eiwitten en metaalionen om zijn prooien meedogenloos te vermorzelen.
Een microscopische blik op de complexe lichaamsbouw van de zeeworm.
De opmars van biometalen
Deze ontdekking heeft de deur geopend naar een nieuw onderzoeksgebied binnen de biofysica. Wetenschappers gebruiken inmiddels de officiële term ‘biometalen’ voor dit soort natuurlijke weefsels.
Een biologisch materiaal krijgt deze stempel niet zomaar. Het moet voldoen aan drie strikte criteria: een extreme hardheid, een afwijkende reactie op mechanische vervorming en een structuur die volledig leunt op een mix van ionen en eiwitten.
Testen op microscopische schaal
Onderzoekers uit Wenen besloten de extreme kaken van de zeeworm tot in het kleinste detail te ontleden. Ze maakten hiervoor gebruik van nano-indentatie, een techniek waarmee een materiaal op microscopische schaal wordt ingedrukt om de weerstand te bepalen.
Uit de eerste tests bleek dat de metaalionen zich voornamelijk in de uiterste punten van de kaken concentreren. Dit maakt de uiteinden aanzienlijk harder en perfect geoptimaliseerd voor een dodelijke beet.
Tijdens het indrukken op verschillende dieptes registreerden de wetenschappers bovendien een fenomeen dat normaliter alleen bij koper en zilver optreedt.
Het Nix-Gao-effect in actie
Dit fenomeen, vernoemd naar de pioniers William D. Nix en Huajian Gao, stelt dat kleinere oppervlakken van een materiaal beduidend meer weerstand bieden bij vervorming dan grotere vlakken.
Bij de kaken van de Perinereis cultrifera zorgen lokale vervormingen ervoor dat kristaldefecten op microscopische schaal sterker in elkaar grijpen. Dit verklaart de plotselinge toename in hardheid bij extreem kleine afmetingen.
Afwijkende atomaire eigenschappen
Toch is het biologische weefsel van de borstelworm geen exacte kopie van koper of zilver. “De kaken van deze borstelwormen vertonen een elasticiteit die direct afhankelijk is van de grootte,” verduidelijkt onderzoeker Christian Hellmich.
“Dat is een onderscheidend kenmerk van biometalen ten opzichte van standaard metalen.”
Het Weense team ontwerpt momenteel wiskundige modellen om deze unieke atomaire eigenschappen beter te verklaren en wil snel meer diersoorten aan de database toevoegen. “Het meest interessante is dat we de relatie willen onderzoeken tussen veranderingen in het erfelijk materiaal en de daaruit voortvloeiende materiaaleigenschappen,” stelt Hellmich.
