Cum moluștele fac perlele atât de perfecte

Cum moluștele fac perlele atât de perfecte

Cercetătorii au descoperit pentru prima dată cum moluștele construiesc structuri ultradurabile cu un nivel de simetrie care depășește orice altceva din lumea naturală, cu excepția atomilor individuali.

Cercetarea ar putea informa viitoarele nanomateriale de înaltă performanță.

„Noi, oamenii, cu tot accesul nostru la tehnologie, nu putem face nimic cu o arhitectură la scară nanometrică la fel de complicată ca o perlă”, spune Robert Hovden, profesor asistent de știința materialelor și inginerie la Universitatea din Michigan și autor al lucrării. „Așa că putem învăța multe prin studierea modului în care perlele trec de la nimicul dezordonat la această structură remarcabil de simetrică.”

Analiza a fost realizată în colaborare cu cercetători de la Universitatea Națională Australiană, Laboratorul Național Lawrence Berkeley, Universitatea de Vest Norvegia și Universitatea Cornell.

Publicat în Proceedings of the National Academy of Sciencesstudiul a descoperit că simetria unei perle devine din ce în ce mai precisă pe măsură ce se construiește, răspunzând la întrebări vechi de secole despre modul în care tulburarea din centrul ei devine un fel de perfecțiune.

Straturile de nacru, compozitul organic-anorganic irizat și extrem de durabil care alcătuiește și cochiliile de stridii și alte moluște, se construiesc pe un ciob de aragonit care înconjoară un centru organic. Straturile, care alcătuiesc mai mult de 90% din volumul unei perle, devin progresiv mai subțiri și mai strâns potrivite pe măsură ce se formează spre exterior din centru.

Poate cea mai surprinzătoare descoperire este că moluștele își mențin simetria perlelor prin ajustarea grosimii fiecărui strat de nacru. Dacă un strat este mai gros, următorul tinde să fie mai subțire și invers. Perla ilustrată în studiu conține 2.615 straturi de nacru fin asortate, depuse pe parcursul a 548 de zile.

„Aceste straturi subțiri și netede de nacru arată un pic ca lenjerii de pat, cu materii organice între ele”, spune Hovden. „Există interacțiune între fiecare strat și emitem ipoteza că acea interacțiune este cea care permite sistemului să se corecteze pe măsură ce merge.”

Echipa a descoperit și detalii despre modul în care funcționează interacțiunea dintre straturi. O analiză matematică a straturilor perlei arată că acestea urmăresc un fenomen cunoscut sub numele de „zgomot 1/f”, în care sunt conectate o serie de evenimente care par a fi aleatorii, fiecare eveniment nou fiind influențat de cel dinaintea lui. S-a demonstrat că zgomotul 1/f guvernează o mare varietate de procese naturale și create de om, inclusiv activitatea seismică, piețele economice, electricitatea, fizica și chiar muzica clasică.

„Când aruncați zaruri, de exemplu, fiecare aruncare este complet independentă și deconectată de orice altă aruncare. Dar zgomotul 1/f este diferit prin faptul că fiecare eveniment este legat”, spune Hovden. „Nu putem prevedea, dar putem vedea o structură în haos. Și în cadrul acelei structuri se află mecanisme complexe care permit miilor de straturi de nacru ale unei perle să se unească spre ordine și precizie.”

Echipa a descoperit că perlele nu au o ordine reală pe distanță lungă – genul de simetrie atent planificată care menține sutele de straturi din clădirile din cărămidă consistente. În schimb, perlele prezintă o ordine medie, menținând simetria pentru aproximativ 20 de straturi la un moment dat. Acest lucru este suficient pentru a menține consistența și durabilitatea peste miile de straturi care alcătuiesc o perlă.

Echipa și-a adunat observațiile studiind perlele Akoya „keshi”, produse de stridiile Pinctada imbricata fucata în apropierea țărmului de est al Australiei. Ei au selectat aceste perle speciale, care măsoară în jur de 50 de milimetri în diametru, deoarece se formează în mod natural, spre deosebire de perlele cultivate cu mărgele, care au un centru artificial. Fiecare perlă a fost tăiată cu un ferăstrău cu sârmă de diamant în secțiuni cu un diametru de trei până la cinci milimetri, apoi lustruită și examinată la microscop electronic.

Hovden spune că descoperirile studiului ar putea ajuta la informarea materialelor de generație următoare cu o arhitectură la scară nanometrică stratificată precis.

„Când construim ceva ca o clădire din cărămidă, putem construi periodic prin planificare atentă, măsurare și modelare”, spune el. Moluștele pot obține rezultate similare la scară nanometrică folosind o strategie diferită. Deci avem multe de învățat de la ei, iar aceste cunoștințe ne-ar putea ajuta să facem materiale mai puternice și mai ușoare în viitor.”

Sursa: Universitatea din Michigan

Leave a Comment

Adresa ta de email nu va fi publicată.