La microscopia elettronica mostra come gli strati di madreperla di una perla diventano più precisi man mano che si sviluppano verso l'esterno dal centro della perla. Credito:Università del Michigan
Nella ricerca che potrebbe informare i futuri nanomateriali ad alte prestazioni, un team guidato dall'Università del Michigan ha scoperto per la prima volta come i molluschi costruiscono strutture ultradurevoli con un livello di simmetria che supera tutto il resto del mondo naturale, ad eccezione dei singoli atomi.
"Noi esseri umani, con tutto il nostro accesso alla tecnologia, non possiamo realizzare qualcosa con un'architettura su scala nanometrica intricata come una perla", ha affermato Robert Hovden, assistente professore di scienze dei materiali e ingegneria e autore dell'articolo. "Quindi possiamo imparare molto studiando come le perle passano dal nulla disordinato a questa struttura straordinariamente simmetrica."
L'analisi è stata condotta in collaborazione con i ricercatori dell'Australian National University, del Lawrence Berkeley National Laboratory, della Western Norway University e della Cornell University.
Pubblicato negli Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze , lo studio ha rilevato che la simmetria di una perla diventa sempre più precisa man mano che si costruisce, rispondendo a domande secolari su come il disordine al suo centro diventi una sorta di perfezione.
Strati di madreperla, il composito organico-inorganico iridescente ed estremamente durevole che costituisce anche i gusci di ostriche e altri molluschi, si basano su un frammento di aragonite che circonda un centro organico. Gli strati, che costituiscono più del 90% del volume di una perla, diventano progressivamente più sottili e più ravvicinati man mano che si sviluppano verso l'esterno dal centro.
Forse la scoperta più sorprendente è che i molluschi mantengono la simmetria delle loro perle regolando lo spessore di ogni strato di madreperla. Se uno strato è più spesso, il successivo tende ad essere più sottile e viceversa. La perla raffigurata nello studio contiene 2.615 strati di madreperla finemente abbinati, depositati in 548 giorni.
"Questi strati sottili e lisci di madreperla assomigliano un po' alle lenzuola, con la materia organica in mezzo", ha detto Hovden. "C'è interazione tra ogni livello e ipotizziamo che tale interazione sia ciò che consente al sistema di correggere mentre procede."
Il team ha anche scoperto i dettagli su come funziona l'interazione tra i livelli. Un'analisi matematica degli strati della perla mostra che seguono un fenomeno noto come "rumore 1/f", in cui sono collegati una serie di eventi che sembrano casuali, con ogni nuovo evento influenzato da quello precedente. È stato dimostrato che il rumore 1/f governa un'ampia varietà di processi naturali e creati dall'uomo, tra cui l'attività sismica, i mercati economici, l'elettricità, la fisica e persino la musica classica.
"Quando tiri i dadi, ad esempio, ogni tiro è completamente indipendente e scollegato da ogni altro tiro. Ma il rumore 1/f è diverso in quanto ogni evento è collegato", ha detto Hovden. "Non possiamo prevederlo, ma possiamo vedere una struttura nel caos. E all'interno di quella struttura ci sono meccanismi complessi che consentono ai migliaia di strati di madreperla di una perla di fondersi verso l'ordine e la precisione."
Il team ha scoperto che le perle mancano di un vero ordine a lungo raggio, il tipo di simmetria attentamente pianificata che mantiene coerenti le centinaia di strati negli edifici in mattoni. Invece, le perle mostrano un ordine a medio raggio, mantenendo la simmetria per circa 20 strati alla volta. Questo è sufficiente per mantenere la consistenza e la durata sui mille strati che compongono una perla.
Il team ha raccolto le sue osservazioni studiando le perle Akoya "keshi", prodotte dall'ostrica Pinctada imbricata fucata vicino alla costa orientale dell'Australia. Hanno selezionato queste particolari perle, che misurano circa 50 millimetri di diametro, perché si formano naturalmente, al contrario delle perle coltivate con perline, che hanno un centro artificiale. Ogni perla è stata tagliata con una sega a filo diamantato in sezioni di diametro compreso tra tre e cinque millimetri, quindi lucidata ed esaminata al microscopio elettronico.
Hovden afferma che i risultati dello studio potrebbero aiutare a informare i materiali di prossima generazione con un'architettura a nanoscala a strati con precisione.
"Quando costruiamo qualcosa come un edificio in mattoni, possiamo costruire periodicamente attraverso un'attenta pianificazione, misurazione e modellizzazione", ha affermato. "I molluschi possono ottenere risultati simili su scala nanometrica utilizzando una strategia diversa. Quindi abbiamo molto da imparare da loro e questa conoscenza potrebbe aiutarci a realizzare materiali più forti e più leggeri in futuro". + Esplora ulteriormente
