I en ny studie publicerad i Naturfysik , forskare från B CUBE—Center for Molecular Bioengineering vid TU Dresden och European Synchrotron Radiation Facility (ESRF) i Grenoble beskriver, för första gången, att strukturella defekter i självmonterande pärlemor attraherar och tar bort varandra, leder så småningom till en perfekt periodisk struktur.

Blötdjur bygger skal för att skydda sina mjuka vävnader från rovdjur. Pärlemor, även känd som pärlemor, har en invecklad, mycket regelbunden struktur som gör det till ett otroligt starkt material. Beroende på art, pärlemor kan bli tiotals centimeter långa. Oavsett storlek, varje nacre är byggd av material som deponeras av en mängd enskilda celler på flera olika platser samtidigt. Hur exakt denna mycket periodiska och enhetliga struktur uppstår från den initiala störningen var okänt förrän nu.

Nacre-bildningen börjar okoordinerat med att cellerna deponerar materialet samtidigt på olika platser. Inte överraskande, den tidiga pärlemorstrukturen är inte särskilt regelbunden. Vid denna tidpunkt, den är full av defekter. "I början, den skiktade mineral-organiska vävnaden är full av strukturella fel som sprider sig genom ett antal lager som en spiral. Faktiskt, de ser ut som en spiraltrappa, har antingen högerhänt eller vänsterhänt orientering, " säger Dr Igor Zlotnikov, forskargruppsledare vid B CUBE—Center for Molecular Bioengineering vid TU Dresden. "Rollen av dessa defekter för att bilda en sådan periodisk vävnad har aldrig fastställts. Å andra sidan, den mogna nacre är defektfri, med en vanlig, enhetlig struktur. Hur kunde perfektion uppstå ur en sådan oordning?"

Forskarna från Zlotnikov-gruppen samarbetade med European Synchrotron Radiation Facility (ESRF) i Grenoble för att ta en mycket detaljerad titt på den interna strukturen hos den tidiga och mogna pärlemor. Med hjälp av synkrotronbaserad holografisk röntgen-nanotomografi kunde forskarna fånga tillväxten av pärlemor över tiden. "Nacre är en extremt fin struktur, med organiska egenskaper under 50 nm i storlek. Beamline ID16A vid ESRF gav oss en oöverträffad förmåga att visualisera nacre i tredimensionella, " förklarar Dr. Zlotnikov. "Kombinationen av elektrontäta och mycket periodiska oorganiska blodplättar med känsliga och smala organiska gränssnitt gör pärlemor till en utmanande struktur att avbilda. Kryogen avbildning hjälpte oss att få den upplösningskraft vi behövde, " förklarar Dr. Pacureanu från X-ray Nanoprobe-gruppen vid ESRF.

Analysen av data var en stor utmaning. Forskarna utvecklade en segmenteringsalgoritm med hjälp av neurala nätverk och tränade den att separera olika lager av pärlemor. På det här sättet, de kunde följa vad som händer med de strukturella defekterna när nacre växer.

Beteendet hos strukturella defekter i en växande pärlemor var överraskande. Defekter i motsatt skruvriktning attraherades till varandra från stora avstånd. De högerhänta och vänsterhänta defekterna rörde sig genom strukturen, tills de träffades, och avbröt varandra. Dessa händelser ledde till en vävnadsövergripande synkronisering. Över tid, det tillät strukturen att utvecklas till en helt regelbunden och defektfri.

Periodiska strukturer som liknar nacre produceras av många olika djurarter. Forskarna tror att den nyupptäckta mekanismen inte bara kan driva på bildandet av pärlemor utan även andra biogena strukturer.