Американські вчені розібралися в кристалічній структурі зубної емалі людини. За допомогою рентгенівського методу візуалізації автори побачили, що кристалографічні осі витягнутих нанокристалів гідроксиапатиту, основного компонента емалі, орієнтовані не паралельно один одному, а відхиляються на кут від 1 до 30 градусів від осі сусіднього кристала. Дослідження, в якому також представлені молекулярно-динамічні симуляції запобігання росту тріщин завдяки непараллельній орієнтації кристалів, опубліковано в журналі.
Завдяки міцності і жорсткості зубна емаль людини не руйнується при пережовуванні їжі з силою до 770 ньютонів, витримує перепади температур і кислотності. На 95 відсотків вона складається з витягнутих кристалів гідроксиапатиту шириною близько 50 нанометрів, які паралельно укладаються в ієрархічну мікроструктуру зі стрижнів розміром приблизно п'ять мікрон. Чотири відсотки становить вода, і один відсоток залишається на м'яку органічну матрицю, що покриває стрижні.
Сама структура емалі вже досить добре вивчена, але те, як кристали орієнтовані всередині стрижнів на рівні десятих або сотих часток мікрон, не було досі відомо. Часто кристалічну структуру вивчають за дифракцією електронів просвічуючого електронного мікроскопа, однак цей метод має низку технічних обмежень, через які не можна отримати зображення кристалів усіх орієнтацій.
Група вчених під керівництвом Пупи Гілберт (Pupa Gilbert) з Вісконсинського університету в Мадісоні розглянули кристали емалі за допомогою методу поляризаційно-залежного картування (polarization-dependent imaging contrast mapping), заснованого на лінійному дихроїзмі рентгенівського випромінювання, а також з електронної електронної пошти.
Виявилося, що осі нанокристалів всередині одного стрижня не завжди збігалися з віссю його росту, а змінювалися поступово з кроком від одного до тридцяти градусів. Більш того, всі досліджені кристали в емалі людського зуба дезорієнтовані по відношенню до сусідніх, а в деяких місцях різниця між орієнтацією кристалів в одному стрижні досягала 90 градусів.
Дослідники припустили, що така структура додає міцності емалі, і змоделювали методами молекулярної динаміки освіту тріщини в моно орієнтованому кристалі гідроксиапатиту, і в кристалах з різницею орієнтації в 14 і 47 градусів.
Найміцніше виявилася структура з малою різницею орієнтації сусідніх кристалів. Запропонована вченими модель, а також розрахунки показують, що в місцях, де ця різниця занадто різка (в області між стрижнями і кристалами гідроксиапатиту), міцність структури погіршується, але природна емаль в цих областях зміцнена органічною оболонкою.
За словами авторів, різниця в орієнтації кристалів від стрижня до стрижня відбулася не внаслідок зміни напрямку зростання кристала, так як в такому випадку зерна в кожному стрижні були б орієнтовані однаково, але це не так. Вивчення структури зубної емалі людини, а також інших ссавців допоможе виявити функціональний зв'язок між кристалічною структурою і механічними властивостями і застосувати ці знання у створенні нових синтетичних матеріалів.
Завдяки унікальним фізичним властивостям емаль приковує до себе багато уваги. Позаминулої осені вчені вивчили, що відбувається з нею під дією великих тисків, і виділили три стадії руйнування структури - випадання зерен, пластичні деформації і руйнування хімічних зв'язків у кристалі. А на початку цього місяця китайські вчені продемонстрували ефективний і безпечний спосіб відновлення структури зубної емалі за допомогою іонних кластерів фосфату кальцію, стабілізованих легколетючим органічним з'єднанням.