Pärlemor, det regnbågsklädda materialet som kantar insidan av musslor och andra blötdjurskal, är känt som naturens tuffaste material. Nu, ett team av forskare under ledning av University of Michigan har avslöjat exakt hur det fungerar, i realtid.

Mer allmänt känt som pärlemor, nacres kombination av hårdhet och motståndskraft har mystifierat forskare i mer än 80 år. Om människor kunde efterlikna det, det kan leda till en ny generation av ultrastarka syntetmaterial för konstruktioner, kirurgiska implantat och otaliga andra applikationer.

"Vi människor kan göra tuffare material med onaturliga miljöer, till exempel extrem värme och tryck. Men vi kan inte replikera den typ av nanoteknik som blötdjur har uppnått. Att kombinera de två tillvägagångssätten kan leda till en spektakulär ny generation material, och detta papper är ett steg i den riktningen, "sade Robert Hovden, U-M biträdande professor i materialvetenskap och teknik.

Forskare har känt grunderna i nacres hemlighet i årtionden - den är gjord av mikroskopiska "tegelstenar" av ett mineral som kallas aragonit, snöras ihop med en "murbruk" gjord av organiskt material. Det här tegel-och-murbrukarrangemanget ger tydligt styrka, men nacre är mycket starkare än dess material antyder.

Hovdens team, som inkluderade U-M materialvetenskaplig forskarassistent Jiseok Gim samt geokemister från Australiens Macquarie University och på andra håll, arbetade tillsammans för att knäcka mysteriet.

På U-M:s Michigan Center for Materials Characterization, forskarna använde små piezo-elektriska mikroindragningar för att utöva kraft på skal av Pinna nobilis, allmänt känd som det ädla pennskalet, medan de var under ett elektronmikroskop. De såg vad som hände i realtid.

De fann att "tegelstenarna" faktiskt är flersidiga tabletter som bara är några hundra nanometer stora. Vanligtvis, dessa tabletter förblir separerade, arrangeras i lager och dämpas av ett tunt lager av organiskt "murbruk". Men när stress appliceras på skalen, "morteln" klämmer åt sidan och tabletterna låses ihop, bildar vad som i huvudsak är en fast yta. När kraften avlägsnas, strukturen fjädrar tillbaka, utan att förlora styrka eller motståndskraft.

Denna motståndskraft skiljer nacre från även de mest avancerade mänskligt designade materialen. Plast, till exempel, kan komma tillbaka från en påverkan, men de tappar en del av sin styrka varje gång. Nacre tappade inget av sin motståndskraft vid upprepade stötar med upp till 80% av sin sträckgräns.

Vad mer, om en spricka bildas, nacre begränsar sprickan till ett enda lager snarare än att låta den spridas, hålla skalets struktur intakt.

"Det är otroligt att en blötdjur, som inte är den mest intelligenta varelsen, tillverkar så många strukturer över så många skalor, "Hovden sa." Det tillverkar enskilda molekyler av kalciumkarbonat, ordna dem i nanoskiktade ark som limmas ihop med organiskt material, ända upp till skalets struktur, som kombinerar nacre med flera andra material. "

Hovden tror att människor kan använda musslans metoder för att skapa nano-konstruerade kompositytor som kan vara dramatiskt lättare och starkare än de som finns tillgängliga idag.

"Naturen ger oss dessa starkt optimerade strukturer med miljontals år av utveckling bakom sig, "sa han." Vi kunde aldrig köra tillräckligt med datorsimuleringar för att komma på dessa - de är bara där för att vi ska upptäcka. "

Studien publiceras i Naturkommunikation .