Hoe parels precisie op nanoschaal bereiken

In onderzoek dat toekomstige hoogwaardige nanomaterialen zou kunnen informeren, heeft een team onder leiding van de Universiteit van Michigan voor het eerst ontdekt hoe weekdieren ultraduurzame structuren bouwen met een symmetrieniveau dat al het andere in de natuurlijke wereld overtreft, met uitzondering van individuele atomen.

“Wij mensen, met al onze toegang tot technologie, kunnen niets maken met een nanoschaalarchitectuur die zo ingewikkeld is als een parel”, zegt Robert Hovden, UM-assistent-professor materiaalkunde en engineering en een auteur op het papier. “Dus we kunnen veel leren door te bestuderen hoe parels van ongeordend niets naar deze opmerkelijk symmetrische structuur gaan.”

De analyse is uitgevoerd in samenwerking met onderzoekers van de Australian National University, Lawrence Berkeley National Laboratory, Western Norway University en Cornell University.

Gepubliceerd in de Proceedings van de National Academy of Sciences, ontdekte de studie dat de symmetrie van een parel steeds nauwkeuriger wordt naarmate deze zich opbouwt, en beantwoordt eeuwenoude vragen over hoe de wanorde in het centrum een ​​soort perfectie wordt.

Lagen parelmoer, het iriserende en extreem duurzame organisch-anorganische composiet dat ook de schelpen van oesters en andere weekdieren vormt, bouwen voort op een scherf van aragoniet die een organisch centrum omringt. De lagen, die meer dan 90% van het volume van een parel uitmaken, worden steeds dunner en dichter bij elkaar naarmate ze vanuit het midden naar buiten toe groeien.

Misschien wel de meest verrassende bevinding is dat weekdieren de symmetrie van hun parels behouden door de dikte van elke laag parelmoer aan te passen. Als de ene laag dikker is, is de volgende meestal dunner en vice versa. De parel die in het onderzoek is afgebeeld, bevat 2.615 fijn op elkaar afgestemde lagen parelmoer, afgezet gedurende 548 dagen.

“Deze dunne, gladde lagen parelmoer lijken een beetje op lakens, met daartussen organisch materiaal,” zei Hovden. “Er is interactie tussen elke laag, en we veronderstellen dat die interactie het systeem in staat stelt om gaandeweg te corrigeren.”

Het team ontdekte ook details over hoe de interactie tussen lagen werkt. Een wiskundige analyse van de lagen van de parel laat zien dat ze een fenomeen volgen dat bekend staat als “1/f-ruis”, waarbij een reeks gebeurtenissen die willekeurig lijken te zijn verbonden, waarbij elke nieuwe gebeurtenis wordt beïnvloed door de vorige. Het is aangetoond dat 1/f-ruis een grote verscheidenheid aan natuurlijke en door de mens veroorzaakte processen beheerst, waaronder seismische activiteit, economische markten, elektriciteit, natuurkunde en zelfs klassieke muziek.

“Als je bijvoorbeeld dobbelstenen gooit, is elke worp volledig onafhankelijk en losgekoppeld van elke andere worp. Maar 1/f-ruis is anders omdat elk evenement is gekoppeld,” zei Hovden. “We kunnen het niet voorspellen, maar we kunnen een structuur in de chaos zien. En binnen die structuur zijn complexe mechanismen die de duizenden parellagen van een parel in staat stellen samen te smelten tot orde en precisie.”

Het team ontdekte dat parels geen echte langeafstandsvolgorde hebben – het soort zorgvuldig geplande symmetrie dat de honderden lagen in bakstenen gebouwen consistent houdt. In plaats daarvan vertonen parels een gemiddelde orde van grootte, waarbij de symmetrie voor ongeveer 20 lagen tegelijk behouden blijft. Dit is genoeg om consistentie en duurzaamheid te behouden over de duizenden lagen waaruit een parel bestaat.

Het team verzamelde hun waarnemingen door Akoya “keshi” -parels te bestuderen, geproduceerd door de Pinctada imbricata fucata-oester nabij de oostelijke kustlijn van Australië. Ze selecteerden deze specifieke parels, die een diameter van ongeveer 50 millimeter hebben, omdat ze van nature ontstaan, in tegenstelling tot parels die gekweekt zijn in kralen, die een kunstmatig centrum hebben. Elke parel werd met een diamanten draadzaag in secties van drie tot vijf millimeter in diameter gesneden, vervolgens gepolijst en onder een elektronenmicroscoop onderzocht.

Hovden zegt dat de bevindingen van het onderzoek kunnen helpen bij het informeren van materialen van de volgende generatie met nauwkeurig gelaagde architectuur op nanoschaal.

“Als we zoiets als een bakstenen gebouw bouwen, kunnen we periodiciteit inbouwen door zorgvuldig te plannen en te meten en sjablonen te maken,” zei hij. “Mollusks kunnen vergelijkbare resultaten behalen op nanoschaal door een andere strategie te gebruiken. We kunnen dus veel van hen leren, en die kennis kan ons helpen om in de toekomst sterkere, lichtere materialen te maken.”