除了彩虹色的美,珍珠母,或珍珠层,内衬的鲍鱼壳,贻贝和某些其他软体动物,也以一个惊人的强度和韧性是一个由来已久的谜团。现在,科学家们有了一个新的方面的珍珠层的nanostructural架构使用的极化x射线和纳米成像功能先进的光源(ALS),一个国家同步加速器设施在美国能源部劳伦斯伯克利国家实验室(伯克利实验室)。
蛹吉尔伯特,威斯康星-麦迪逊大学的物理学教授主持这项研究说:“珍珠层的薄层组成的生物矿物晶体霰石平板电脑甚至薄层分离的有机物质。我们的研究表明,珍珠层的霰石平板晶体使定向变异彼此。这种独特的结构安排是一个意外,可能扮演一个角色在珍珠层的非凡的抗断裂。”
大约有95%的珍珠层的成分是霰石,硬但脆弱的碳酸钙矿物,珍珠层是比霰石困难3000倍。没有human-synthesized复合可以超越其组成材料等。188金宝搏bet官网因此研究珍珠层已经强烈,特别是在脆性陶瓷和纳米技术产业仍然是一个主要限制。目标是学习珍珠层的形成发生在自然这新的微观结构可能是工程陶瓷和其他材料,提高其韧性。188金宝搏bet官网然而,研究人员在过去缺乏所需的工具研究珍珠层形成在纳米尺度上的动态。现在,ALS的新功能,包括极化束x射线,使这一切成为可能。
吉尔伯特和她的同事们报告他们的研究结果在美国化学学会杂志》上的一篇名为:“渐进订购红色的鲍鱼珠母贝。”Co-authoring the paper with Gilbert were Rebecca Metzler, Dong Zhou and Susan Coppersmith, of the University of Wisconsin, and Andreas Scholl, Andrew Doran, Anthony Young, Martin Kunz and Nobumichi Tamura of Berkeley Lab.
珍珠层ALS的聚光灯下
ALS是一个电子同步加速器加速电子能量高达19亿电子伏特(GeV),集中成一束紧,然后把这个光束在储存环几个小时。在储存环、紫外线和x射线束光从电子束通过使用提取弯曲,蠕动的东西,或波纹机磁设备。这些光束亮一亿倍比最好的x光管和可调谐匹配一系列科学重要的波长。ALS Beamline 11.0.1特性之一,世界上最好的光电发射电子显微镜,PEEM-3,它是由一个椭圆偏振波动器。闪亮的样本上的梁PEEM-3导致样品的原子,分子或晶体发射电子,然后成像显示的位置和结构安排发射原子,分子和晶体。
“我们使用PEEM-3研究珍珠层的红鲍鱼(石决明rufescens)和获得前所未有的细节和定量信息的位置,大小,和相对取向的个人霰石平板电脑,”吉尔伯特说。“PEEM-3给了我们精美的纳米尺度的空间分辨率和大视场可能包括数以百计的平板电脑用微不足道的辐射损伤。”
管理PEEM-3肖勒作者之一,他在ALS Beamline 11.0.1,说“PEEM-3控制极化的能力,我们可以提供用户的新特性,是判定霰石的晶体取向所必需的平板电脑。极化x射线不同交互与面向一个水晶取决于晶体轴和x射线的相对取向极化。也基本是PEEM-3很高的空间分辨率,因为纳米微晶的尺寸和有机垫片材料。”
空间竞争
PEEM-3探测偏振光下,吉尔伯特和她的同事获得测量霰石的晶体取向,平板电脑大小和平板叠加方向。这些测量表明,不同方向的霰石晶体导致不同的平板电脑的增长率。反过来,这些不同的表增长率产生self-ordering,逐步选择平板电脑越来越快越来越多。此外,这个self-ordering逐渐发生的距离大约50微米。“我们的研究结果表明,珍珠层形成的至少一个方面,霰石的self-ordering平板电脑发生独立的生物或有机分子控制,”吉尔伯特说。“虽然这个发现震动有机无机的公认观点templation在生物矿化,它是典型的进化动力学系统在自然选择为增长最快的元素材料。”
从这些结果吉尔伯特和合作者铜匠假设珍珠层的“竞争空间”理论模型组装,基于渐进,动态选择更快的平板电脑的增长率和一个小的概率成核新晶体取向。他们的模型被发现的结果与侧视的协议和平面实验数据。
关键之一是失踪的珍珠层的形成,吉尔伯特和她的合著者的照片放在一起是信息的量化程度的远近霰石晶体错位的珍珠层之间的边界的棱镜外层壳。根据吉尔伯特的假说,定向排列程度的霰石平板电脑应该增加nacre-prismatic边界的距离。对于这些信息,她转向ALS Beamline 12.3.2, x射线微衍射设施。
解释合著者(管理x射线微衍射beamline,”我们的设备能够与高空间分辨率和测量精度的方向个人霰石平板电脑在珍珠层使用了一种叫做白色束x射线微衍射。在这项研究中,我们能够做的测量数据出来几个小时和晶体取向一旦我们分析的数据——角传播霰石晶体在移动边界错位从24度到6度几十微米。”
吉尔伯特说,这项研究的下一步是扩展从红鲍鱼珍珠层的研究,这是一个腹足软体动物,其他软体动物的壳,包括双壳类,如牡蛎和贻贝,头足类动物,如鹦鹉螺。珍珠红鲍鱼和鹦鹉螺是一种被称为“柱状”,而双壳类的珍珠层是一种叫做“表”。It is already known that the formation mechanism for sheet nacre differs from that for columnar nacre.
吉尔伯特说,“我们现在正获得更多PEEM-3数据在其他nacre-forming壳,同时制定珍珠层形成两种不同的理论模型,一个用于表珍珠层和一个用于柱状珍珠层。这些将会比现在更复杂的模型”。
这项研究受到了奖励来自美国国家科学基金会和美国能源部科学办公室。
关于伯克利实验室
伯克利实验室是美国能源部国家实验室位于伯克利,加州。它进行非保密的科学研究,由加州大学的管理。
