(PhysOrg.com) -- I naturen, styrkan hos pärlemor är en nyckel till överlevnad för vissa skaldjur. Nu är ett team ledd av Xiaodong Li, en ingenjörsprofessor vid University of South Carolina, har lagt fram en förklaring till den ovanliga motståndskraften som denna viktiga defensiva sköld visar inför rovdjursattacker. Med tanke på de utarbetade strukturerna i nanoskala som biologin naturligt införlivar i pärlemor, forskargruppen tror att resultaten kan fungera som en plan för att ta fram tuffa nya material i laboratoriet.
"Under lång tid, vi har trott att vi förstod hur dessa biomaterial i nanoskala fungerar - men det visar sig att vi bara vet lite, sa Li, vars team publicerade sina resultat i en nyss släppt artikel i Nature Publishings nya tidskrift, Vetenskapliga rapporter .
Pärlemor, även kallad pärlemor, utgör det inre skalfodret på pärlmusslor och några andra blötdjur. Pärlor själva är gjorda av pärlemor, som är ett sammansatt nanomaterial konstruerat av skaldjurens biomaskineri. Små kristallkorn av kalciumkarbonat är ordnade i en vanlig, intrikat mönster och sammanbundna av biopolymerer i pärlemors struktur, vilket tillför en enorm stabilitet till materialet:det är cirka 1000 gånger mer motståndskraftigt mot sprickbildning från stötar än den kristallina formen av kalciumkarbonat (mineralen aragonit) som utgör huvuddelen av pärlemor.
Verkligen, kalciumkarbonat i sig är kanske mest känd som tavlan krita; dess tendens att falla sönder undergräver alla föreställningar om att det skulle fungera som ett effektivt sätt att stoppa en kula. Och ändå organiserar naturen en komplex tegel-och-bruk-liknande struktur - med tegelstenarna av kalciumkarbonat som mäter i nanometerintervallet - för att skapa ett otroligt tufft material, mycket starkare än summan av dess delar. Pärlemors skimrande kvalitet är en biprodukt av denna struktur, eftersom det synliga ljuset som det reflekterar har våglängder som liknar storleken på tegelstenarna i nanoskala.
Nacres styrka under press, Li förklarade, är ovanligt och något mot intuitionen. När den pressas snabbt (dynamisk laddning), den tål mycket mer tryck än när den pressas långsamt (statisk belastning). "Detta är en egenskap hos naturmaterial med nanopartikelarkitektur, sa Li, Knappast någon konstgjord keramik har denna egenskap, vilket skulle vara ovärderligt i applikationer som kroppsskydd, så att förstå hur det fungerar är mycket viktigt.”
Den ökade styrkan hos pärlemor i ansiktet av snabbt tryck har varit känd i 10 år, men orsakerna bakom det har förblivit oklara. Så Lis team försökte förstå mekanismen genom att fokusera på strukturen av pärlemor på nanoskala. De skar exakt pärlemorprover från Kaliforniens röda abalone och utsatte dem för både dynamisk och statisk belastning. Pärlemor som pressades snabbt - det ballistiska testet, på sätt och vis - uppvisa mer än dubbelt så mycket motstånd före frakturering än det som pressades långsamt. Sedan Li och kollegor, som inkluderade USC-forskare såväl som bidragsgivare från University of North Carolina i Charlotte, använde transmissionselektronmikroskopi för att ta itu med detaljerna i sprickningen på nanoskalanivå.
Deras resultat var helt oväntade. Under ballistiska förhållanden med snabb kompression, partiklarna i nanoskala arbetar tillsammans för att hålla tillbaka materialets buckling. Forskarna drog slutsatsen att deformationssamverkan, en process som ses i vissa metaller och en särskild indikator på styrka vid stress, spelar in med partiklarna i nanoskala av kalciumkarbonat. Men denna mekanism var bara uppenbar med ballistiska förhållanden, inte under långsam applicering av tryck. Lis team drog också slutsatsen att partiella dislokationer inom nanostrukturen ger ytterligare styrka till materialet, men igen, det inträffade endast under de ballistiska förhållandena.
När de konfronteras med en kort, kraftfull stöt från ett rovdjur – en aktivitet som skaldjur har tillbringat många miljoner år med att utarbeta sitt försvar mot – de nanostrukturella tegelstenarna i den övergripande pärlemorstrukturen samverkar för att absorbera stöten och maximera motståndet. Stress absorberas och försvinner först i själva nanostrukturen innan själva materialet övermannas och spricker.
Nu när Lis team har klarlagt medlen för pärlemors förstärkta försvar, ingenjörer kan försöka tillämpa lärdomarna på syntetiska material. "Det verkliga målet är att kunna designa dessa material, sa Li. "Att förstå mekanismen är det första steget för att göra, som bara ett exempel, bättre skottsäkra material."
