珍珠如何形成復雜的納米級結構？人類技術都做不到！

在有望為未來的高性能納米材料提供信息的研究中，密歇根大學（University of Michigan）團隊首次發現了軟體動物是如何建造具有對稱性水平的超耐用結構，其對稱性水平超過了自然界中的其他一切，個別原子除外。

馬薩諸塞州大學材料科學與工程系助理教授Robert Hovden表示，在人類擁有的所有技術中，卻無法制造出像珍珠一樣復雜納米級結構的東西。但是，可以通過研究珍珠如何從無序的虛無結構變成這種明顯的對稱結構中獲益良多。

研究者發現珍珠的對稱性，隨著它的形成而變得越來越精確，這回答了幾個世紀以來關于其中心的無序如何變成一種完美的問題。

珍珠層是一種五彩繽紛、極其耐用的有機無機復合材料，也構成了牡蠣和其他軟體動物的外殼，建立在圍繞有機中心的文石碎片上。這些層占珍珠體積的90%以上，隨著它們從中心向外延伸，會逐漸變薄，并且更加緊密匹配。

也許最令人驚訝的發現是，軟體動物通過調整每層珍珠的厚度來維持其珍珠的對稱性。如果一層較厚，下一層往往會較薄，反之亦然。研究報告中的珍珠包含2615個精細匹配的珍珠層，沉積了548天。

Hovden表示，這些薄而光滑的珍珠層看起來有點像床單，中間是有機物。每一層之間都有相互作用，假設這種相互作用是使該系統能夠隨著它的發展而修正的原因。

研究小組還發現了關于層與層之間的互動如何運作的細節。對珍珠層的數學分析表明，它們遵循一種被稱為“1/f噪聲”的現象，即一系列看似隨機的事件被連接起來，每個新事件都受到之前事件的影響。1/f噪聲已被證明支配著各種各樣的自然和人為過程，包括地震活動、經濟市場、電力、物理學甚至古典音樂。

研究團隊收集自然形成的珍珠，每顆珍珠都被用鉆石線鋸切割成直徑為三到五毫米的部分，然后在電子顯微鏡下進行拋光和檢查。

研究小組發現，珍珠缺乏真正的長程秩序——那種精心策劃的對稱性，使磚頭建筑中的數百層保持一致。相反，珍珠表現出中等范圍的秩序，每次保持約20層的對稱性。這足以在構成珍珠的數千層中保持一致性和耐久性。

研究者表示，這項研究的結果可能有助于為具有精確分層納米級結構的下一代材料提供信息。當建造像磚頭建筑這樣的東西時，可以通過仔細的規劃、測量和模板化來建造周期性。軟體動物可以通過使用不同的策略在納米尺度上實現類似的結果。所以我們可以從它們身上學到很多東西，這些知識可以幫助我們在未來制造出更強、更輕的材料。

題為The mesoscale order of nacreous pearls的相關研究論文發表在《美國國家科學院院刊》上。

前瞻經濟學人APP資訊組

論文原文：

https://www.pnas.org/content/118/42/e2107477118

標簽： 珍珠 如何 形成 復雜