Pärlemor, det iriserande materialet som kantar blötdjursskal som pärlemor och abalone, har länge varit ett uppskattat fynd av strandklotter och skalsamlare, på grund av den naturliga skönheten och variationen av färg som kan hittas däri. Men vetenskapsmän och ingenjörer har också länge förundrats över och studerat pärlemor; det är ett tufft och starkt material, består av omväxlande lager av aragonitplättar och organisk proteinbaserad film. Den naturliga världen innehåller många material som har utvecklats över tiden för att optimera styrkan, varaktighet, och prestanda. När forskare och ingenjörer vill utveckla förbättrade och mer hållbara byggmaterial, de söker sig allt mer till naturen för att få inspiration.

Den fysiska sammansättningen av pärlemor gör att den tål avsevärda mängder tryck och skador längs blodplättarna utan att orsaka större skada i hela skalet. Det har antagits av vissa att det är mer på spel av de enskilda blodplättarna som ger dem en sådan extraordinär styrka och hållbarhet, men forskare har saknat verktyg och processer för att gräva djupare i förhållandet mellan kristallorienteringen och de mekaniska egenskaperna – fram till nu.

Under de senaste två decennierna, skalen har vanligtvis testats för sin styrka med tekniker som makroskopiska böjningstest, mikro-/nano-indrag, och atomkraftmikroskop. Nu, MIT biträdande professor i civil- och miljöteknik Admir Masic, doktorand Hyun-Chae "Chad" Loh, och fem andra har kombinerat svepelektronmikroskopi och mikroindragning med Raman-spektroskopi och utvecklat en kraftfull kemo-mekanisk karakteriseringsmetod som tillåter tredimensionell stress- och spänningskartläggning genom en teknik som kallas piezo-Raman.

"Vi utvecklade en metod för att extrahera viktig kemo-mekanisk information från ett biologiskt system som är mycket välkänt och studerat, " förklarar Masic, vars resultat nyligen publicerades i Communications Materials. "Korrelerande mikroindragning och piezo-Raman-resultat gjorde det möjligt för oss att utvärdera och kvantifiera mängden stress som försvinner genom den hierarkiska strukturen."

Det nya tillvägagångssättet för att kvantifiera materialets mekaniska prestanda är tillräckligt för att vara en stor nyhet i sig, men under processen, Masic och andra forskare – som han tillskriver mycket av arbetet i detta samarbete – blev förvånade över resultaten.

"Vi använde först dessa verktyg för att studera töjningshärdningsmekanismen i en skala på några mikrometer. vi märkte att energiförlusten inte var begränsad till tegel- och murbruksstrukturen, men påverkade ett mycket större område än vi förväntade oss. Vi utökade vårt studieområde till en större skala och hittade denna nya härdningsmekanism som är relaterad till en mesostruktur på en skala av 20 mikron, " säger Loh. Vad forskarna fann är att staplar av samorienterade aragonitplättar utgör en annan hierarkisk nivå av struktur, som härdar materialet när det belastas.

Polariserad Raman, en annan teknik som används i denna studie, hjälpte teamet att observera vad som kallas den kristallografiska orienteringen av aragonit tegelstenarna. Genom undersökningen av orienteringsmönstren, forskare kunde belysa den karakteristiska längdskalan för aragonitstaplarna och relatera den till sprickutbredningsmönstren. Sprickorna fortplantade sig mellan aragonitstaplarna, visar deras mekaniska bidrag till pärlemors seghet.

"Detta gav oss en öppning för att potentiellt förklara vad som orsakar denna hårdhet i större skala. Systematiska arrangemang av kristaller kan hittas i andra biominerala material, som våra tänder, och materialens mikrotextur påverkar direkt deras funktion." säger Masic.

Att efterlikna naturmaterial som pärlemor har varit en populär strategi för att designa nya material. Den lilla skalan av deras strukturer, dock, utgör en utmaning för att replikera och tillverka de naturliga morfologierna. "Med vår upptäckt, vi föreslår en ny biomimikstrategi för att simulera pärlemors struktur på 10 mikron eller större skala, istället för nanonivån." säger Masic.

Det är spännande nyheter för forskare som utforskar nya möjligheter för syntetiska material inspirerade av naturlig design.

Den här historien återpubliceras med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT-forskning, innovation och undervisning.