Hard maar licht ‘biometaal’ ontdekt in kaken van zeeworm

De kaken van zeeborstelwormen bestaan uit een combinatie van eiwitten en metaaldeeltjes. Mogelijk vormen die samen een geheel nieuw soort materiaal, dat in de toekomst van pas kan komen in de techniek.

De kaken van sommige zeewormen bestaan uit een uitzonderlijk hard maar toch licht materiaal. Onderzoekers noemen het ‘biometaal’ en denken dat het mogelijk bruikbaar is voor technische toepassingen.

Perinereis cultrifera is een borstelworm met een langwerpig lichaam dat bedekt is met borstelharen. De worm heeft sterke kaken waarmee hij harde prooien, zoals kleine schaaldieren of andere wormen, kan verpletteren. In fossielen zijn overblijfselen van hun kaken gevonden die dateren van honderden miljoenen jaren geleden.

LEES OOK

'Ik ben een techno-optimist in de rouw'

In een wereld vol AI-enthousiastelingen spreekt informaticus Felienne Hermans zich uit tegen de opmars van algoritmen en de toenemende macht van big t ...

Ingenieur Christian Hellmich van de Technische Universiteit Wenen en zijn collega’s bestuderen de kaken van deze worm al bijna tien jaar. Op basis van hun onderzoek denken ze dat de kaken uit een nieuw soort materiaal bestaan. In iedere moleculaire structuur van de kaak komen eiwitten en metaaldeeltjes, waaronder zinkonen, samen. Daardoor heeft het materiaaleigenschappen die tussen die van zachtere biologische materialen en metalen in liggen.

Onlangs voerde het team meer dan 3300 experimenten uit met de kaak van de zeeworm. De onderzoekers maakten kleine deukjes in verschillende delen van de kaak. Onder druk veranderde de hardheid van de kaak op dezelfde manier als bij metalen zoals koper en zilver. Ook bleek de kaak een soort elasticiteit te hebben wat metalen niet hebben, zegt Hellmich.

Tot slot ontwikkelden de onderzoekers een wiskundig model dat voorspelt hoe biometaal op een unieke manier kan reageren wanneer er kracht op wordt uitgeoefend. Daarbij rangschikken de metaaldeeltjes zich in lijnen die lijken op bepaalde afwijkingen in kristallen. Hierdoor ontstaan op microscopisch niveau krachten vanuit de metaaldeeltjes in het materiaal.

Toekomstmateriaal uit de natuur

De onderzoekers waren verrast dat ze bij dit relatief eenvoudige dier zoveel nieuws ontdekten. Het was erg lastig om op de kaak, die slechts enkele millimeters groot is, materiaaltests uit te voeren. De voorbereiding en het polijsten van de kaken kostten honderden uren, zegt Hellmich. ‘Eigenlijk kan er van alles misgaan.’

‘De kaken van borstelwormen zijn ongelooflijk hard en toch heel licht’, zegt bioloog Matthew Lehnert van de Kent State-universiteit in de Amerikaanse staat Ohio. ‘Allerlei industrieën, van de auto-industrie tot de luchtvaart, zoeken naar nieuwe manieren om harde maar lichte metalen te ontwikkelen. De natuur heeft de antwoorden!’

‘Op een of andere manier is de evolutie erin geslaagd om materiaal dat vooral uit eiwitten bestaat eigenschappen van metaal te geven. Door de worm te bestuderen, proberen we te ontdekken hoe dat mogelijk is’, zegt ingenieur Markus Buehler van het Massachusetts Institute of Technology, die niet bij het onderzoek betrokken was. De grote droom voor de lange termijn is om materialen genetisch zo te programmeren dat ze in biologische systemen kunnen groeien, zegt hij.

Hellmich en zijn collega’s willen dit doel nastreven. Hun onderzoeksteam bestaat inmiddels ook uit genetici en biologen van de Universiteit van Wenen. ‘We onderzoeken bijvoorbeeld hoe de kaken veranderen als we een paar genen uitschakelen’, zegt hij.