La maggior parte delle persone conosce la madreperla, un biominerale iridescente chiamato anche madreperla, dai pulsanti, gioielleria, intarsi di strumenti e altri ornamenti decorativi. Scienziati, pure, hanno ammirato e meravigliato la madreperla per decenni, non solo per la sua bellezza e proprietà ottiche, ma per la sua eccezionale robustezza.

"È uno dei biominerali naturali più studiati, "dice Pupa Gilbert, un professore di fisica dell'Università del Wisconsin-Madison che ha studiato la madreperla per più di un decennio. "Potrebbe non sembrare molto, solo un lucido, materiale decorativo. Ma può essere 3, 000 volte più resistente alla frattura rispetto all'aragonite, il minerale da cui è composto. Ha suscitato l'interesse degli scienziati dei materiali perché rendere i materiali migliori della somma delle loro parti è estremamente attraente".

Ora, una nuova, la tecnica ottica non distruttiva sbloccherà ancora più conoscenze sulla madreperla, e nel processo potrebbe portare a una nuova comprensione della storia del clima. Gilberto, Mikhail Kats, professore di ingegneria elettrica della UW-Madison, i loro studenti e collaboratori hanno descritto la tecnica, chiamata tomografia ad interferenza iperspettrale, oggi sul giornale Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze.

Gilbert ha imparato come si forma la madreperla, ordini, resiste alla frattura, e come la sua struttura a strati registra la temperatura alla quale si è formata. Questa struttura a strati di madreperla riflette la luce e genera colori diversi a seconda dello spessore dello strato. Ciò ha portato a un interesse nel trovare un modo per valutare lo spessore degli strati di madreperla che non comporti la distruzione del guscio di mollusco in cui è depositato.

Per aiuto nell'affrontare questa sfida, Gilbert si rivolse a Kats e allo studente laureato Jad Salman, esperti nello studio dei fenomeni ottici.

Per il progetto, Salman ha preparato 22 gusci di abalone rosso fresco per l'analisi ottica. Ma prendere spettri ottici di madreperla è più difficile di quanto possa sembrare.

"Se vuoi sondare questo tipo di guscio, che ha una topografia curva, è molto difficile ottenere un buon spettro con uno spettrometro convenzionale, "dice Salman.

Ecco perché il team si è rivolto a una tecnologia più recente, fotografia iperspettrale, per visualizzare l'intero spettro del guscio. All'inizio, hanno ripreso le conchiglie presso il partner industriale Middleton Spectral Vision prima di acquisire la propria fotocamera iperspettrale.

"È uno spettrometro di imaging in cui ogni pixel dell'immagine fornisce uno spettro completo, " dice Salman. "Quando usiamo la fotocamera nella nostra configurazione, possiamo facilmente estrarre dati spettrali affidabili su grandi, superficie irregolare di un guscio in un colpo solo."

Oltre all'abalone rosso, il team ha anche ripreso la madreperla di un'altra specie, conchiglia paua dalla Nuova Zelanda, chiamato anche abalone arcobaleno. Salman ha quindi utilizzato un sofisticato software di modellazione da lui sviluppato per determinare lo spessore degli strati di madreperla pixel per pixel utilizzando i dati iperspettrali.

Il team sta chiamando la combinazione di tecniche tomografia ad interferenza iperspettrale e anticipa che sarà applicabile alla misurazione di altri trasparenti, strutture stratificate presenti nelle piante, animali, campioni geologici o materiali sintetici.

Per Gilberto, la nuova tecnica ha rivelato una sorpresa sull'abalone rosso; ha mostrato per la prima volta che lo spessore degli strati di madreperla si assottiglia man mano che il mollusco invecchia. Poiché questo spessore registra la temperatura dell'acqua di mare in cui si forma, il team ritiene che potrebbe essere possibile utilizzare la tecnica per analizzare i gusci dei molluschi fossili per conoscere i climi del passato.

"Questo progetto è fatto di poche parti diverse, ognuno di quelli un po' ben compreso, " dice Kats. "Il potere di questa ricerca è che abbiamo portato tutta questa esperienza sperimentale e teorica, e sono stati in grado di modellare non solo ingegnerizzati, strutture stratificate ben educate, ma disordinato, strutture biologiche disordinate. E siamo stati in grado di trarne informazioni utili in un modo che un biologo o un paleoclimatologo possono utilizzare".