Få kompositmaterial som skapats av naturen är så tåliga som pärlemor, eller pärlemor. Nu har forskarna äntligen förstått hur de små lagren av detta pärlemorskimrande ämne gör det så starkt.
Det finns pärlemor på pärlornas yttre beläggningar och på insidan av vissa blötdjursskal, men fram till nu har forskarna inte riktigt förstått hur det fungerar på nanoskala, eftersom denna beläggning är mycket motståndskraftig mot påfrestningar och påfrestningar.
Hemligheten bakom nacre’s seghet ligger i det sätt på vilket materialets kaklade yta låser ihop sig när den utsätts för påfrestningar, vilket gör det möjligt för den att sprida ut påfrestningarna. När ytan inte längre utsätts för tryck slappnar den av till enskilda plattor igen.
Detta skulle i sin tur kunna hjälpa oss att utveckla egna superstarka material med inspiration från de bästa material som naturen har att erbjuda.
”Det är otroligt att ett blötdjur, som inte är den mest intelligenta varelsen, tillverkar så många strukturer i så många skalor”, säger materialforskaren Robert Hovden från University of Michigan.
”Den tillverkar enskilda molekyler av kalciumkarbonat, arrangerar dem i nanolager som limmas ihop med organiskt material, ända upp till skalets struktur, som kombinerar nacre med flera andra material.”
I tidigare arbeten hade forskarna redan identifierat nacreens ”tegelstensstruktur” – nanostora tabletter av aragonit som limmas ihop med organiskt material och som ser ut som en tegelvägg om man kommer tillräckligt nära.
Vad den nya forskningen visar är att reaktionen under tryck, erhållen genom observationer i elektronmikroskop. ”Mörteln” kläms åt sidan under trycket och återkommer sedan när trycket släpper.
Overraskande nog, och ovanligt nog, förlorar inte pärlemor någon av sin motståndskraft genom denna process. Tester visade att dess motståndskraftsnivåer inte sjönk, inte ens vid upprepade stötar på upp till 80 procent av dess sträckgräns.
Om ytan skulle utveckla en spricka kan nacre isolera nanotabletten där sprickan uppstår, så att den inte påverkar resten av ytan.
I pressmeddelandet anser forskarna att nacre är ”naturens tuffaste material”. Naturligtvis beror det verkligen på hur man vill mäta nämnda ”seghet”; på Mohs hårdhetsskala får till exempel pärlemor det ganska ödmjuka betyget ungefär 2,5, men det betyder bara att det lätt kan repas med vilket hårdare mineral som helst.
Om vi talar om ett materials styrka finns det andra aspekter – hur mycket vikt ett material kan bära, hur mycket tryck det tål och så vidare – från blötdjurständer till spindelsilke finns det andra naturligt förekommande material som är oerhört starka; pärlemor kan uthärda riktigt imponerande mekaniska påfrestningar, därav förtjänar det sitt rykte om att vara segt.
Nu vill forskarna bakom studien använda sina upptäckter för att utveckla starkare material tillverkade av människor – inte beräknade genom datorsimuleringar eller algoritmer, utan inspirerade av miljontals år av naturlig evolution.
”Vi människor kan tillverka hårdare material genom att använda onaturliga miljöer, till exempel extrem värme och tryck”, säger Hovden. ”Men vi kan inte kopiera den typ av nanoteknik som blötdjur har åstadkommit.”
”En kombination av de två metoderna skulle kunna leda till en spektakulär ny generation av material, och den här artikeln är ett steg i den riktningen.”
Forskningen har publicerats i Nature Communications.