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(xué)（University of Michigan）團(tuán)隊(duì)首次發(fā)現(xiàn)了軟體動(dòng)物是如何建造具有對稱性水平的超耐用結(jié)構(gòu)，其對稱性水平超過了自然界中的其他一切，個(gè)別原子除外。

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

研究者發(fā)現(xiàn)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(gè)世紀(jì)以來關(guān)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(jī)無機(jī)復(fù)合材料，也構(gòu)成了牡蠣和其他軟體動(dòng)物的外殼，建立在圍繞有機(jī)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(huì)逐漸變薄，并且更加緊密匹配。

也許最令人驚訝的發(fā)現(xiàn)是，軟體動(dòng)物通過調(diào)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(huì)較薄，反之亦然。研究報(bào)告中的珍珠包含2615個(gè)精細(xì)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(diǎn)像床單，中間是有機(jī)物。每一層之間都有相互作用，假設(shè)這種相互作用是使該系統(tǒng)能夠隨著它的發(fā)展而修正的原因。

研究小組還發(fā)現(xiàn)了關(guān)于層與層之間的互動(dòng)如何運(yùn)作的細(xì)節(jié)。對珍珠層的數(shù)學(xué)分析表明，它們遵循一種被稱為“1/f噪聲”的現(xiàn)象，即一系列看似隨機(jī)的事件被連接起來，每個(gè)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(dòng)、經(jīng)濟(jì)市場、電力、物理學(xué)甚至古典音樂。

研究團(tuán)隊(duì)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(jìn)行拋光和檢查。

研究小組發(fā)現(xiàn)，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(shù)百層保持一致。相反，珍珠表現(xiàn)出中等范圍的秩序，每次保持約20層的對稱性。這足以在構(gòu)成珍珠的數(shù)千層中保持一致性和耐久性。

研究者表示，這項(xiàng)研究的結(jié)果可能有助于為具有精確分層納米級結(jié)構(gòu)的下一代材料提供信息。當(dāng)建造像磚頭建筑這樣的東西時(shí)，可以通過仔細(xì)的規(guī)劃、測量和模板化來建造周期性。軟體動(dòng)物可以通過使用不同的策略在納米尺度上實(shí)現(xiàn)類似的結(jié)果。所以我們可以從它們身上學(xué)到很多東西，這些知識可以幫助我們在未來制造出更強(qiáng)、更輕的材料。

題為The mesoscale order of nacreous pearls的相關(guān)研究論文發(fā)表在《美國國家科學(xué)院院刊》上。

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論文原文：

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

標(biāo)簽： 珍珠 如何 形成 復(fù)雜