Ny ikke-destruktiv optisk teknik afslører strukturen af ​​perlemor

De fleste kender perlemor, et iriserende biomineral også kaldet Nacre, fra knapper, smykker, instrumentindlæg og andre dekorative opblomstringer. Videnskabsmænd, også, har beundret og undret sig over Nacre i årtier, ikke kun for dens skønhed og optiske egenskaber, men på grund af dens exceptionelle sejhed.

"Det er et af de mest undersøgte naturlige biomineraler, " siger Pupa Gilbert, en fysikprofessor ved University of Wisconsin-Madison, der har studeret perlemor i mere end et årti. "Det ser måske ikke ud af meget - bare en skinnende, dekorativt materiale. Men det kan være 3, 000 gange mere modstandsdygtig over for brud end aragonit, mineralet, det er lavet af. Det har vakt materialeforskernes interesse, fordi det er ekstremt attraktivt at gøre materialer bedre end summen af ​​deres dele."

Nu, en ny, ikke-destruktiv optisk teknik vil låse op for endnu mere viden om Nacre, og i processen kunne føre til en ny forståelse af klimahistorien. Gilbert, UW-Madison elektroingeniør professor Mikhail Kats, deres elever og samarbejdspartnere beskrev teknikken, kaldet hyperspektral interferenstomografi, i dag i journalen Proceedings of the National Academy of Sciences.

Gilbert har lært, hvordan Nacre dannes, Ordre:% s, modstår brud, og hvordan dens lagdelte struktur registrerer den temperatur, hvorved den er dannet. Denne lagdelte struktur af Nacre reflekterer lys og genererer forskellige farver afhængigt af lagtykkelsen. Det førte til en interesse i at finde en måde at vurdere tykkelsen af ​​perlemor-lagene, der ikke involverer ødelæggelse af bløddyrskallen, hvori den er aflejret.

For at få hjælp til at tackle den udfordring, Gilbert henvendte sig til Kats og kandidatstuderende Jad Salman, som er eksperter i at studere optiske fænomener.

Til projektet, Salman forberedte 22 friske røde abaloneskaller til optisk analyse. Men at tage optiske spektre af perlemor er sværere, end det kan se ud.

"Hvis du vil undersøge denne type skal, som har en buet topografi, det er meget svært at få et godt spektrum med et konventionelt spektrometer, " siger Salman.

Derfor vendte holdet sig mod en nyere teknologi, hyperspektral fotografering, at afbilde hele spektret af skallen. Tidligt, de afbildede skallerne hos industripartner Middleton Spectral Vision, før de anskaffede deres eget hyperspektrale kamera.

"Det er et billedspektrometer, hvor hver pixel i billedet giver et fuldt spektrum, " siger Salman. "Når vi bruger kameraet i vores opsætning, vi kan nemt udtrække pålidelige spektrale data over de store, ujævn overflade af en skal i ét skud."

Ud over den røde abalone, holdet afbildede også perlemor af en anden art, paua shell fra New Zealand, også kaldet regnbue abalone. Salman brugte derefter sofistikeret modelleringssoftware, han udviklede, til at bestemme tykkelsen af ​​Nacre-lagene pixel for pixel ved hjælp af de hyperspektrale data.

Holdet kalder kombinationen af ​​teknikker for hyperspektral interferenstomografi og forventer, at den vil være anvendelig til at måle andre transparente, lagdelte strukturer fundet i planter, dyr, geologiske prøver eller syntetiske materialer.

For Gilbert, den nye teknik afslørede en overraskelse om rød abalone; den viste for første gang, at tykkelsen af ​​perlefuglelag bliver tyndere efterhånden som bløddyrene ældes. Fordi denne tykkelse registrerer temperaturen af ​​havvandet, hvori det dannes, holdet mener, at det kan være muligt at bruge teknikken til at analysere fossile bløddyrsskaller for at lære om tidligere klimaer.

"Dette projekt er lavet af et par forskellige dele, hver af dem lidt godt forstået, " siger Kats. "Kraften ved denne forskning er, at vi bragte al denne eksperimentelle og teoretiske ekspertise, og var i stand til at modellere ikke kun konstrueret, velopdragne lagdelte strukturer, men rodet, forstyrrede biologiske strukturer. Og vi var i stand til at få nyttig information ud af det på en måde, som en biolog eller palæoklimatolog kan bruge."