Как моллюски создают идеально симметричную жемчужину

И почему у них получается лучше, чем у людей, со всеми их технологиями? Делимся выжимкой из нового научного исследования.

Во время исследований, целью которых было создание высокоэффективных наноматериалов, учёные Мичиганского университета заметили, что моллюски строят сверхпрочные структуры с уровнем симметрии, который превосходит всё остальное в мире природы (за исключением разве что отдельных атомов)

Исследователи установили, что симметрия жемчужины становится все более и более точной по мере её построения, тем самым ответив на давний вопрос о том, как хаос в центре жемчужины переходит в совершенную структуру снаружи.

«Мы, люди, при всём нашем могуществе, не можем ничего создать с наноразмерной архитектурой, столь же сложной, как жемчужина», — сказал Роберт Ховден, доцент кафедры материаловедения и инженерии Мичиганского университета и автор статьи. «Мы можем многому научиться, изучая, как жемчуг превращается из беспорядочного небытия в эту удивительно симметричную структуру».

Слои перламутра, переливающегося и чрезвычайно прочного органико-неорганического композита, из которого также состоят раковины устриц и других моллюсков, построены на осколке арагонита, окружающем органический центр. Слои, которые составляют более 90% объёма жемчужины, становятся все тоньше и ближе друг к другу по мере того, как они удаляются от центра.

Возможно, самым удивительным открытием является то, что моллюски поддерживают симметрию своих жемчужин, регулируя толщину каждого слоя перламутра. То есть каждый новый слой перламутра, построенный над асимметричным центром, точно адаптируется к предыдущим, сглаживая неровности и образуя круглую жемчужину. Тут важно, что моллюск регулирует толщину слоёв перламутра. Если один слой особенно толстый, последующие слои будут тоньше. Это помогает жемчужине сохранять одинаковую среднюю толщину на тысячах слоёв, чтобы она выглядела идеально круглой и однородной. Без этой постоянной корректировки жемчужина выглядела бы неровно, а небольшие дефекты с каждым новым слоем усиливались, что уменьшало бы её сферическую форму. Жемчужина, которую вы увидите ниже, содержит 2615 тонких слоёв перламутра, нанесённых в течение 548 дней.

Расшифровка иллюстрации выше

а. Жемчужина Кеши, разрезанная на части.
б. Увеличенное поперечное сечение жемчуга показывает его переход от беспорядочного центра к тысячам слоёв тонко подобранного перламутра.
c. Увеличение слоёв перламутра показывает их самокоррекцию — когда один слой толще, следующий тоньше для компенсации, и наоборот.
d, e: Изображения слоёв перламутра в атомарном масштабе.
f, g, h, i: Микроскопические изображения детализируют переходы между слоями жемчужины.

Между каждым слоем существует взаимодействие, и учёные предполагают, что это взаимодействие позволяет системе исправляться по ходу наращивания новых и новых слоёв перламутра.

Команда также раскрыла подробности этого взаимодействия. Математический анализ слоёв жемчужины показал наличие явления, известного как фликкер-шум (1/f-шум, избыточный шум). То есть имеется серия событий, которые кажутся случайными, но каждое новое событие зависит от предыдущего. Было замечено, что фликкер-шум управляет широким спектром природных и антропогенных процессов, включая сейсмическую активность, экономические рынки, электричество, физику и даже классическую музыку.

Например, когда вы бросаете кости, каждый бросок полностью независим и никак не связан с любым другим броском. Фликкер-шум отличается тем, что каждое событие связано. “Мы не можем предсказать это, но мы можем видеть структуру в хаосе. И внутри этой структуры находятся сложные механизмы, которые позволяют тысячам слоёв перламутра жемчужины объединяться, создавая гармонию порядка и точности” — утверждает Роберт Ховден.

На этом фото видно,  как слои перламутра становятся более ровными по мере того, как они удаляются от центра жемчужины
На этом фото видно, как слои перламутра становятся более ровными по мере того, как они удаляются от центра жемчужины

Впрочем, учёные установили, что жемчугу не хватает дальнего порядка, то есть той тщательно спланированной симметрии, которая обеспечивает согласованность сотен слоёв в зданиях из кирпича. Вместо этого жемчуг демонстрирует средний порядок, сохраняя симметрию примерно для 20 слоёв одновременно. Этого достаточно, чтобы сохранять консистентность и долговечность на тысячах слоёв, составляющих жемчужину.

Исследователи проводили исследование, изучая жемчужины «кеши», собранные из жемчужных устриц Акойя (Pinctada imbricata fucata) у восточного побережья Австралии. Они установили, что перламутр самовосстанавливается, и когда возникает дефект, он устраняется без внешнего вмешательства — если речь идёт о повреждении в пределах нескольких слоёв.

Поперечное сечение жемчужины кеши показывает, как круглый драгоценный камень растёт вокруг деформированного ядра обломков
Поперечное сечение жемчужины кеши показывает, как круглый драгоценный камень растёт вокруг деформированного ядра обломков

Выбраны были именно эти жемчужины диаметром около 50 миллиметров, потому что они формируются естественным путём, в отличие от жемчуга, выращенного из бисера, у которого искусственный центр. Каждая жемчужина была разрезана алмазной проволочной пилой на секции диаметром от трёх до пяти миллиметров, затем отполирована и исследована под электронным микроскопом. Использование «натуральных» жемчужин повысило достоверность исследования.

По мнению представителей исследовательской группы, результаты исследования могут помочь в создании материалов следующего поколения с точной слоистой наноразмерной архитектурой. То есть устрицы научат людей создавать более прочные и лёгкие материалы.


Что ещё интересного есть в блоге Cloud4Y

→ Айтишный пицца-квест. Итоги

→ Как я случайно заблокировал 10 000 телефонов в Южной Америке

→ Клавиатуры, которые постигла неудача

→ Чувствуете запах? Пахнет утечкой ваших данных

→ Изучаем своё железо: сброс паролей BIOS на ноутбуках

Подписывайтесь на наш Telegram-канал, чтобы не пропустить очередную статью. Пишем не чаще двух раз в неделю и только по делу.

 

Источник

Читайте также

Меню