Imagine que você está jogando “20 Perguntas” e começa com a clássica abertura: “Animal, vegetal ou mineral?” Na maioria das vezes, um verme marinho será uma resposta simples: animal. Mas uma espécie marinha em particular, o antigo e ainda vivo verme Perinereis cultrifera, complica essa escolha simples.Este inseto é um predador e caça com mandíbulas tão atraentes quanto assustadoras. Essas mandíbulas não são feitas apenas de osso ou proteína simples; Eles são feitos de uma combinação de proteínas estruturais e íons metálicos que lhes conferem dureza e resistência semelhantes às do metal. Essa mistura incomum levou os cientistas a usar um novo termo para eles: biometais.
O que são metais orgânicos?
Os cientistas há muito falam sobre “biomateriais semelhantes a metais” ao descrever estruturas biológicas que agem como metais. Por exemplo, materiais em animais que são muito fortes ou conduzem bem eletricidade. Mas os biometais são definidos com mais precisão.Para ser considerado um biometal, um material orgânico deve apresentar três propriedades principais. Primeiro, alta dureza porque resiste a arranhões ou entalhes. Em segundo lugar, uma forma específica de responder à tensão; Quando você o pressiona ou deforma, ele se comporta de maneira padronizada e mensurável. Terceiro, uma estrutura interna específica significa que os íons metálicos e as proteínas estão dispostos juntos para formar uma rede sólida que confere ao material suas propriedades únicas.As mandíbulas de Perinereis cultrifera são um caso de teste perfeito. Num estudo publicado na Biophysics Review, investigadores da TU Wien (Universidade de Tecnologia de Viena) e da Universidade de Viena examinaram como estas peças bucais se comportam sob pressão e como se formam ao nível microscópico. Seu objetivo era definir melhor o que distingue os biometais de outros materiais biológicos sólidos, como osso ou casca.
Como os íons metálicos endurecem a picada de um verme
Crédito da foto: Zelaya-Lineage et al.
Para entender a força da mandíbula, a equipe utilizou uma técnica chamada nanoindentação. Pense nisso como pressionar uma ponta muito pequena e afiada em um material para ver quanta força é necessária para fazer um amassado. Ao fazer isso repetidamente em diferentes partes da mandíbula, os cientistas podem mapear como a rigidez varia de um lugar para outro.Eles combinaram esses testes mecânicos com análises químicas e imagens detalhadas da estrutura da mandíbula. Os resultados confirmaram um padrão importante: os íons metálicos estão concentrados nas pontas das mandíbulas. Então há menos desses íons nas partes centrais da mandíbula.Isso significa que as próprias bordas das mandíbulas, as partes que realmente mordem e trituram a presa, são fortalecidas quimicamente. O maior teor de metal nas pontas provavelmente as torna muito mais duras e resistentes ao desgaste, dando à minhoca uma mordida mais afiada e durável.
Um pequeno efeito com um grande impacto
Os pesquisadores não se limitaram a medir a dureza geral. Eles testaram as mandíbulas em diferentes profundidades de indentação, pressionando mais ou menos fundo para ver como o material respondia. Foi aí que viram algo particularmente interessante: um fenômeno conhecido em metais tradicionais como cobre e prata.Isso é chamado de efeito de tamanho de nanoindentação Nix-Gao. Simplificando, isso significa que pequenas áreas de um material podem ser mais difíceis de perfurar do que áreas maiores. À medida que a área testada se torna menor, o material muitas vezes se torna mais resistente.Nas mandíbulas dos vermes, esse efeito é visto claramente. Quando a indentação era muito pequena, as mudanças locais na deformação eram acentuadas, e isso mostrava como os defeitos dentro da estrutura nuclear “entrelaçavam-se” e resistiam à deformação. Isto é semelhante ao que acontece nos metais, onde as discordâncias (pequenos defeitos na rede cristalina) interagem de forma diferente em escalas menores.Ver o efeito Nix-Gao numa estrutura biológica é uma pista de que estas mandíbulas se comportam como metais em alguns aspectos.
Os metais são semelhantes, mas não iguais
Apesar dessas propriedades semelhantes às do metal, as mandíbulas não são simplesmente a versão natural do cobre ou da prata. Eles também possuem propriedades mecânicas incomuns que os diferenciam.Uma das descobertas mais destacadas foi a elasticidade dependente do tamanho, porque as mandíbulas não mostram apenas rigidez dependente do tamanho; Seu comportamento elástico, como eles se recuperam após serem deformados, também varia dependendo da escala do teste.Esta elasticidade dependente do tamanho não é comum em metais cristalinos padrão, como cobre ou prata, que possuem propriedades elásticas mais uniformes em diferentes escalas.Christian Helmich, um dos autores do estudo, destacou isso como uma característica definidora dos biometais. Isto sugere que as interações entre estruturas proteicas e íons metálicos nessas mandíbulas produzem respostas mecânicas que os metais comuns não apresentam, de acordo com um relatório do Science Daily.Para aprofundar, a equipe usou modelos matemáticos para explorar como esses efeitos elásticos podem surgir no nível atômico. A ideia é que a forma como as proteínas, a água e os íons estão dispostos cria uma estrutura hierárquica complexa que responde de maneira diferente à tensão em diferentes escalas. Embora os seus modelos ofereçam previsões, Helmich observa que os cientistas estão apenas no início da compreensão destes complexos materiais naturais.
Aprendendo com o design material da natureza
O estudo dos biometais não consiste apenas em admirar a picada de um inseto marinho; Pode ajudar a orientar a engenharia futura. Se a natureza puder criar estruturas duras e rígidas quando necessário (como as pontas das mandíbulas); mostrar comportamento inteligente dependente do tamanho; E usando misturas de proteínas e íons em vez de metais puros, os engenheiros poderão projetar novos materiais inspirados nos mesmos princípios.Os pesquisadores planejam estudar espécies adicionais, para ver até que ponto os biometais são comuns na natureza e como eles mudam. Eles querem refinar seus modelos teóricos e realizar cálculos mais detalhados. E explore como as mudanças genéticas podem alterar as propriedades dos materiais – conectando a biologia diretamente ao design dos materiais.Como diz Helmich, há um verdadeiro entusiasmo com “a beleza, a elegância e o refinamento encontrados e produzidos na natureza”. Biominerais como as mandíbulas de Perinereis cultrifera mostram que a linha entre “animal” e “mineral” nem sempre é tão clara quanto um jogo de 20 perguntas. Nas minúsculas peças bucais de um verme marinho, a natureza vem projetando silenciosamente elementos semelhantes a metal há milhões de anos.Pensando bem, o que lhe interessa mais: a ideia de que os organismos vivos podem formar naturalmente estruturas semelhantes a metais, ou que estudá-los poderia inspirar tipos inteiramente novos de materiais feitos pelo homem?
