De flesta känner till pärlemor, en regnbågsskimrande biomineral även kallad pärlemor, från knappar, Smycken, instrumentinlägg och andra dekorativa blommor. Forskare, för, har beundrat och förundrats över pärlemor i årtionden, inte bara för dess skönhet och optiska egenskaper utan för dess exceptionella seghet.

"Det är en av de mest studerade naturliga biomineralerna, " säger Pupa Gilbert, en fysikprofessor vid University of Wisconsin-Madison som har studerat pärlemor i mer än ett decennium. "Det kanske inte ser så mycket ut - bara en glänsande, dekorativt material. Men det kan vara 3, 000 gånger mer motståndskraftig mot fraktur än aragonit, mineralet som det är gjort av. Det har väckt materialforskares intresse eftersom att göra material bättre än summan av deras delar är extremt attraktivt."

Nu, en ny, oförstörande optisk teknik kommer att låsa upp ännu mer kunskap om pärlemor, och i processen kan leda till en ny förståelse av klimathistorien. Gilbert, UW-Madison elektroteknikprofessor Mikhail Kats, deras elever och medarbetare beskrev tekniken, kallas hyperspektral interferenstomografi, idag i journalen Proceedings of the National Academy of Sciences.

Gilbert har lärt sig hur pärlemor bildas, order, motstår fraktur, och hur dess skiktade struktur registrerar temperaturen vid vilken den bildades. Denna lagerstruktur av pärlemor reflekterar ljus och genererar olika färger beroende på lagertjocklek. Det ledde till ett intresse för att hitta ett sätt att bedöma tjockleken på pärlemorlagren som inte involverar att förstöra blötdjursskalet där det deponeras.

För hjälp med att ta itu med den utmaningen, Gilbert vände sig till Kats och doktoranden Jad Salman, som är experter på att studera optiska fenomen.

För projektet, Salman förberedde 22 färska röda abaloneskal för optisk analys. Men att ta optiska spektra av pärlemor är svårare än det kan verka.

"Om du vill undersöka den här typen av skal, som har en krökt topografi, det är väldigt svårt att få ett bra spektrum med en konventionell spektrometer, " säger Salman.

Det var därför teamet vände sig till en nyare teknik, hyperspektral fotografering, för att avbilda skalets hela spektrum. Tidigt på, de avbildade skalen hos industripartnern Middleton Spectral Vision innan de skaffade sin egen hyperspektrala kamera.

"Det är en bildspektrometer där varje pixel i bilden ger ett fullt spektrum, " säger Salman. "När vi använder kameran i vår installation, vi kan enkelt extrahera tillförlitliga spektraldata över de stora, ojämn yta på ett skal i ett skott."

Förutom den röda abalonen, laget avbildade också pärlemor av en annan art, paua skal från Nya Zeeland, även kallad regnbågsablon. Salman använde sedan sofistikerad modelleringsprogramvara som han utvecklade för att bestämma tjockleken på pärlemorlagren pixel för pixel med hjälp av hyperspektrala data.

Teamet kallar kombinationen av tekniker för hyperspektral interferenstomografi och förväntar sig att den kommer att kunna användas för att mäta andra transparenta, skiktade strukturer som finns i växter, djur, geologiska prover eller syntetiska material.

För Gilbert, den nya tekniken avslöjade en överraskning om röd abalone; det visade för första gången att tjockleken på pärlemorlagren tunnas ut när blötdjuren åldras. Eftersom denna tjocklek registrerar temperaturen på havsvattnet där det bildas, teamet tror att det kan vara möjligt att använda tekniken för att analysera fossila blötdjursskal för att lära sig om tidigare klimat.

"Detta projekt består av några olika delar, var och en av dem något väl förstådd, " säger Kats. "Kraften med denna forskning är att vi tog med oss ​​all denna experimentella och teoretiska expertis, och kunde modellera inte bara konstruerade, väluppfostrade skiktstrukturer, men rörigt, störda biologiska strukturer. Och vi kunde få användbar information ur det på ett sätt som en biolog eller paleoklimatolog kan använda."