I forskning som kan informera framtida högpresterande nanomaterial, har ett team som leds av University of Michigan för första gången upptäckt hur blötdjur bygger ultrahållbara strukturer med en nivå av symmetri som överträffar allt annat i den naturliga världen, med undantag för enskilda atomer.

"Vi människor, med all vår tillgång till teknik, kan inte göra något med en arkitektur i nanoskala så intrikat som en pärla", säger Robert Hovden, UM-biträdande professor i materialvetenskap och ingenjörsvetenskap och författare på tidningen. "Så vi kan lära oss mycket genom att studera hur pärlor går från oordnad intet till denna anmärkningsvärt symmetriska struktur."

Analysen gjordes i samarbete med forskare vid Australian National University, Lawrence Berkeley National Laboratory, Western Norway University och Cornell University.

Publicerad i Proceedings of the National Academy of Sciences , fann studien att en pärls symmetri blir mer och mer exakt när den byggs, vilket svarar på flera hundra gamla frågor om hur störningen i dess centrum blir en sorts perfektion.

Lager av pärlemor, den skimrande och extremt hållbara organisk-oorganiska kompositen som också utgör skalen av ostron och andra blötdjur, bygger på en skärva av aragonit som omger ett organiskt centrum. Skikten, som utgör mer än 90 % av en pärlas volym, blir successivt tunnare och mer överensstämmande när de bygger utåt från mitten.

Det kanske mest överraskande fyndet är att blötdjur bibehåller symmetrin hos sina pärlor genom att justera tjockleken på varje lager av pärlemor. Om ett lager är tjockare, tenderar nästa att vara tunnare, och vice versa. Pärlan på bilden i studien innehåller 2 615 fint matchade lager av pärlemor, avsatt under 548 dagar.

"Dessa tunna, släta lager av pärlemor ser lite ut som lakan, med organiskt material emellan," sa Hovden. "Det finns interaktion mellan varje lager, och vi antar att den interaktionen är det som gör det möjligt för systemet att korrigera allt eftersom det går."

Teamet avslöjade också detaljer om hur interaktionen mellan lager fungerar. En matematisk analys av pärlans lager visar att de följer ett fenomen som kallas "1/f-brus", där en serie händelser som verkar vara slumpmässiga kopplas samman, med varje ny händelse påverkad av den före den. 1/f-brus har visat sig styra en mängd olika naturliga och mänskliga processer, inklusive seismisk aktivitet, ekonomiska marknader, elektricitet, fysik och till och med klassisk musik.

"När du kastar tärningar, till exempel, är varje kast helt oberoende och frånkopplat från vartannat kast. Men 1/f-ljudet är annorlunda genom att varje händelse är länkad", sa Hovden. "Vi kan inte förutsäga det, men vi kan se en struktur i kaoset. Och inom den strukturen finns komplexa mekanismer som gör det möjligt för en pärls tusentals lager av pärlemor att smälta samman mot ordning och precision."

Teamet fann att pärlor saknar verklig ordning på lång räckvidd - den typ av noggrant planerad symmetri som håller de hundratals lagren i tegelbyggnader konsekventa. Istället uppvisar pärlor medelstor ordning och bibehåller symmetri för cirka 20 lager åt gången. Detta är tillräckligt för att bibehålla konsistens och hållbarhet över de tusentals lager som utgör en pärla.

Teamet samlade sina observationer genom att studera Akoya "keshi"-pärlor, producerade av ostronet Pinctada imbricata fucata nära Australiens östra kust. De valde just dessa pärlor, som mäter cirka 50 millimeter i diameter, eftersom de bildas naturligt, till skillnad från pärlodlade pärlor, som har ett konstgjort centrum. Varje pärla skars med en diamanttrådsåg i sektioner som mätte tre till fem millimeter i diameter, polerades sedan och undersöktes under ett elektronmikroskop.

Hovden säger att studiens resultat kan hjälpa till att informera nästa generations material med exakt skiktad nanoskalaarkitektur.

"När vi bygger något som en tegelbyggnad kan vi bygga i periodicitet genom noggrann planering och mätning och schablon," sa han. "Blötdjur kan uppnå liknande resultat på nanoskala genom att använda en annan strategi. Så vi har mycket att lära av dem, och den kunskapen kan hjälpa oss att göra starkare, lättare material i framtiden." + Utforska vidare

Nytt material efterliknar styrka, seghet hos pärlemor