珍珠如何形成复杂的纳米级结构?人类技术都做不到!

  密歇根大学(University of Michigan)团队首次发现了软体动物是如何建造具有对称性水平的超耐用结构,除个别原子外,其对称性水平超过了自然界中的其他一切,这项研究有望为未来的高性能纳米材料提供信息。

  马萨诸塞州大学材料科学与工程系助理教授Robert Hovden表示,在人类拥有的所有技术中,却无法制造出像珍珠一样复杂纳米级结构的东西。但是,我们可以通过研究珍珠如何从无序变成这种明显的对称结构中获益良多。

  研究者发现珍珠的对称性,随着它的形成而变得越来越精确。

纳米材料,有机物

  珍珠层是一种五彩缤纷、极其耐用的有机无机复合材料,也构成了牡蛎和其他软体动物的外壳。珠粒由大量微小的文石晶体集合而成,占珍珠体积的90%以上,随着它们从中心向外延伸,逐渐变薄,并且更加紧密贴合。

  也许最令人惊讶的发现是,软体动物通过调整每层珍珠的厚度来维持其珍珠的对称性。如果一层较厚,下一层往往会较薄,反之亦然。研究报告中的珍珠包含2615个精细匹配的珍珠层,沉积了548天。

  Hovden表示,这些薄而光滑的珍珠层看起来有点像床单,中间是有机物。

纳米材料,有机物

  研究小组还发现了关于层与层之间的互动如何运作的细节。对珍珠层的数学分析表明,它们遵循一种被称为“1/f噪声”的现象,即一系列看似随机的事件被连接起来,每个新事件都受到之前事件的影响。1/f噪声已被证明支配着各种各样的自然和人为过程,包括地震活动、经济市场、电力、物理学甚至古典音乐。

  研究团队收集自然形成的珍珠,每颗珍珠都被用钻石线锯切割成直径为三到五毫米的部分,然后在电子显微镜下进行抛光和检查。

  研究小组发现,珍珠缺乏真正的长程秩序——那种精心策划的对称性,使砖头建筑中的数百层保持一致。相反,珍珠表现出中等范围的秩序,每次保持约20层的对称性。这足以在构成珍珠的数千层中保持一致性和耐久性。

纳米材料,有机物

  研究者表示,这项研究的结果可能有助于为具有精确分层纳米级结构的下一代材料提供信息。当建造像砖头建筑这样的东西时,可以通过仔细的规划、测量和模板化来建造周期性。软体动物可以通过使用不同的策略在纳米尺度上实现类似的结果。所以我们可以从它们身上学到很多东西,这些知识可以帮助我们在未来制造出更强、更轻的材料。

  题为The mesoscale order of nacreous pearls的相关研究论文发表在《美国国家科学院院刊》上。

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