Forskere opdager, hvordan perlemor selv samles til en perfekt struktur

I en ny undersøgelse offentliggjort i Naturfysik , forskere fra B CUBE—Center for Molecular Bioengineering ved TU Dresden og European Synchrotron Radiation Facility (ESRF) i Grenoble beskriver, for første gang, at strukturelle defekter i selvsamlende perlemor tiltrækker og ophæver hinanden, til sidst fører til en perfekt periodisk struktur.

Bløddyr bygger skaller for at beskytte deres bløde væv mod rovdyr. Nacre, også kendt som perlemor, har en indviklet, meget regelmæssig struktur, der gør det til et utrolig stærkt materiale. Afhængig af arten, Nacres kan nå ti centimeter i længden. Uanset størrelsen, hver nacre er bygget af materialer deponeret af et væld af enkeltceller flere forskellige steder på samme tid. Hvordan præcis denne meget periodiske og ensartede struktur opstår fra den oprindelige lidelse, var ukendt indtil nu.

Nacre-dannelsen starter ukoordineret med cellerne, der afsætter materialet samtidigt på forskellige steder. Ikke overraskende, den tidlige Nacre-struktur er ikke særlig regelmæssig. På dette tidspunkt, den er fuld af fejl. "I begyndelsen det lagdelte mineral-organiske væv er fyldt med strukturelle fejl, der forplanter sig gennem en række lag som en helix. Faktisk, de ligner en vindeltrappe, har enten højrehåndet eller venstrehåndet retning, " siger Dr. Igor Zlotnikov, forskningsgruppeleder ved B CUBE—Center for Molecular Bioengineering ved TU Dresden. "Disse defekters rolle i dannelsen af ​​et sådant periodisk væv er aldrig blevet fastslået. På den anden side, den modne nacre er fejlfri, med en almindelig, ensartet struktur. Hvordan kunne perfektion komme ud af en sådan uorden?"

Forskerne fra Zlotnikov -gruppen samarbejdede med European Synchrotron Radiation Facility (ESRF) i Grenoble for at tage et meget detaljeret kig på den interne struktur i den tidlige og modne nacre. Ved hjælp af synkrotron-baseret holografisk røntgen-nano-tomografi kunne forskerne fange væksten af ​​perlemor over tid. "Nacre er en ekstremt fin struktur, med organiske egenskaber under 50 nm i størrelse. Beamline ID16A på ESRF gav os en hidtil uset evne til at visualisere nacre i tre dimensioner, " forklarer Dr. Zlotnikov. "Kombinationen af ​​elektrontætte og meget periodiske uorganiske blodplader med delikate og slanke organiske grænseflader gør Nacre til en udfordrende struktur at afbilde. Kryogen billeddannelse hjalp os med at opnå den opløsningskraft, vi havde brug for, " forklarer Dr. Pacureanu fra X-ray Nanoprobe-gruppen ved ESRF.

Analysen af ​​data var noget af en udfordring. Forskerne udviklede en segmenteringsalgoritme ved hjælp af neurale netværk og uddannede den til at adskille forskellige lag af nacre. På denne måde, de var i stand til at følge, hvad der sker med de strukturelle defekter, efterhånden som Nacre vokser.

Opførselen af ​​strukturelle defekter i en voksende perlemor var overraskende. Defekter i modsat skrueretning blev tiltrukket af hinanden fra store afstande. De højrehåndede og venstrehåndede defekter bevægede sig gennem strukturen, indtil de mødtes, og aflyste hinanden. Disse hændelser førte til en vævsdækkende synkronisering. Over tid, det tillod strukturen at udvikle sig til en helt regelmæssig og fejlfri.

Periodiske strukturer, der ligner Nacre, produceres af mange forskellige dyrearter. Forskerne mener, at den nyopdagede mekanisme ikke kun kunne drive dannelsen af ​​perlemor, men også andre biogene strukturer.