蚂蚁的牙齿是一种强大的工具。尽管蚂蚁的颚齿比人的头发丝还要细，但它们却能完成一些令人难以置信的切割壮举。现在，科学家们找到了原因：一层薄薄的重金属原子涂层。
通过将材料科学的技术应用于生物学研究，研究人员得以literally地解构了蚂蚁的牙齿。在此过程中，他们发现了能够像刀刃上的钻石粉一样，使牙齿变硬变锋利的锌原子。研究人员于周四在《科学报告》杂志上发表了他们的研究成果。
“随着我们揭示这些纳米级的结构，我相信我们将会发现一些关于自然界我们之前不知道的事物，”位于华盛顿州里奇兰市太平洋西北国家实验室（PNNL）的材料科学家、论文作者之一的Arun Devaraj表示。
Devaraj 的工作特别侧重于金属。人类制造的金属，可以自行加工和微调，已经达到了其性能的极限。但 Devaraj 一直对它们的天然、生物对应物感兴趣：那些通过漫长进化而获得令人印象深刻特性的材料。
“我一直对了解大自然是如何‘制造’这些东西很感兴趣，”Devaraj 说。
因此，他开始与俄勒冈大学的生物物理学家、该论文的首席作者Robert Schofield合作。Schofield 一直在研究无脊椎动物的“工具”，例如蚂蚁的牙齿，还有蜘蛛的毒牙、蝎子的钳子和蠕虫的颚部。在测量了这些工具的性能后，Schofield 深知它们尽管体型微小，却能承受远超其尺寸的强度。他想更深入地了解其中的原因。
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至少从 20 世纪 80 年代起，科学家们就知道这类工具包含两种材料。第一种是由钙和铁等元素组成，就像你牙齿或骨骼中的成分一样。但第二种则包含更令人惊讶的元素，如锌和锰。尽管这些重金属很常见，但它们所起的作用却不太为人所理解。
以蚂蚁的牙齿为例，它逐渐变细，尖端小于尘埃颗粒。之前尚未研究过的是牙齿尖端原子排列的结构。这时 Devaraj 的专业知识就派上了用场。“在材料科学领域，我们常规的做法是研究原子结构如何决定性能，”他说。
于是 Schofield 的团队从俄勒冈大学的一个蚂蚁群落中提取了牙齿，并将其送往六小时车程外的 PNNL。在那里，Devaraj 和他的同事，包括博士实习生 Xiaoyue Wang，提取了一个更微小的样本，仅有几个原子宽。
利用这个样本，Devaraj 和他的同事应用了一种名为原子探针断层扫描的技术。他们将样本置于真空室中，然后 literally 地开始逐个原子地蒸发样本。通过观察原子如何飞散，他们可以确定这些原子是什么以及它们来自样本的哪个位置。
这项技术最初是用来分析人造材料的。但通过将其应用于蚂蚁的牙齿，研究人员得以确定哪些原子位于牙齿尖端的何处。
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他们发现锌原子均匀地分布在牙齿上，起到了硬化牙齿表面和锐化牙齿尖端的作用。锌原子使得蚂蚁在咬合时，能够比最初看起来造成更大的伤害，同时所需的力更小，且不会使工具变钝。
“人类工程师也可以从这种生物学技巧中学习，”Schofield 在一份声明中说。“例如，当加入锌后，蚂蚁牙齿的硬度从大约塑料的硬度增加到铝的硬度。虽然有更硬的工程材料，但它们通常更脆。”
随着我们对像蚂蚁这样的无脊椎动物体内材料工作原理的了解不断深入，我们或许能够找到在现实生活中制造更优良材料的方法。这也是为什么对于 Devaraj、Schofield 和他们的同事来说，这篇论文仅仅是一个开始。他们计划在这个领域进行多年的深入研究，而且不仅仅局限于无脊椎动物：他们怀疑可能在从鳄鱼到恐龙等各种生物的牙齿中都能发现类似的锐化材料。
“可能还有其他材料是我们尚未发现的，”Devaraj 说。
