¿Cómo alcanzan las perlas la nano-precisión?

En una investigación que podría informar a los nanomateriales de alto rendimiento del futuro, un equipo dirigido por la Universidad de Michigan descubrió por primera vez cómo los moluscos construyen estructuras superhidrofóbicas con un nivel de simetría que supera todo lo demás en el mundo natural, excepto los átomos individuales.

“Los humanos, con todo nuestro acceso a la tecnología, no podemos hacer algo con nanoarquitecturas tan complejas como Perla«Así que podemos aprender mucho al estudiar cómo las perlas pasan de la nada desordenada a esta estructura notablemente simétrica», dijo Robert Hovden, profesor asociado de ciencia e ingeniería de materiales en la UM.

El análisis se llevó a cabo en colaboración con investigadores de la Universidad Nacional de Australia, el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley, la Universidad de Noruega Occidental y la Universidad de Cornell.

Publicado en procedimientos de la Academia Nacional de CienciasEl estudio encontró que la simetría de una perla se vuelve cada vez más precisa a medida que se forma, respondiendo preguntas de siglos de antigüedad sobre cómo la turbulencia en su centro se convierte en una especie de perfección.

Las conchas, un compuesto orgánico iridiscente y muy duradero que también forma las conchas de ostras y otros moluscos, se colocan en capas sobre un trozo de aragonito que rodea un centro orgánico. Las capas, que constituyen más del 90% del volumen de la perla, se vuelven progresivamente más delgadas y simétricas a medida que se forman hacia afuera desde el centro.

Quizás el descubrimiento más sorprendente es que los moluscos mantienen la consistencia de sus perlas ajustando el grosor de cada capa de nácar. Si una capa es más gruesa, la siguiente tiende a ser más fina y viceversa. La perla que se muestra en el estudio contiene 2.615 capas de nácar que coinciden con precisión, depositadas durante un período de 548 días.

«Estas delgadas y suaves capas de nácar parecen sábanas, con materia orgánica en el medio», dijo Hovden. «Hay una interacción entre los dos capaSuponemos que esta interacción es lo que permite al sistema depurar mientras se ejecuta «.

El equipo también reveló detalles sobre cómo funciona la interacción entre las capas. Un análisis matemático de las capas de perlas muestra que siguen un fenómeno conocido como «ruido 1 / f», en el que se vincula una serie de eventos aparentemente aleatorios, con cada nuevo evento influenciado por el que lo precedió. 1 / Se ha demostrado que el ruido controla una variedad de procesos naturales y provocados por el hombre, incluida la actividad sísmica, los mercados económicos, la electricidad, la física e incluso la música clásica.

«Cuando tiras los dados, por ejemplo, cada tirada es completamente independiente y separada de las demás. Pero el ruido 1 / f es diferente en el sentido de que cada evento está relacionado», dijo Hovden. «No podemos predecirlo, pero podemos ver una estructura en desorden. Y dentro de esa estructura hay mecanismos complejos que permiten que miles de capas de conchas de perlas se fusionen hacia el orden y la precisión».

El equipo descubrió que las perlas carecían de una verdadera disposición de gran alcance, el tipo de simetría cuidadosamente planificada que mantiene cientos de capas consistentes en edificios de ladrillo. En cambio, las perlas muestran una disposición de rango medio, manteniendo la simetría durante aproximadamente 20 capas a la vez. Esto es suficiente para mantener la consistencia y la durabilidad de las miles de capas que componen la perla.

El equipo combinó sus observaciones estudiando las perlas «keshi» de Akoya, que son producidas por la ostra Pinctada impercata vucata cerca de la costa este de Australia. Eligieron estas perlas específicas, que tienen unos 50 mm de diámetro, porque están formadas de forma natural, a diferencia de las perlas con cuentas, que tienen un centro artificial. Cada perla se cortó con una sierra de hilo de diamante en secciones de tres a cinco milímetros de diámetro, luego se pulió y se examinó con un microscopio electrónico.

Hovden dice que los resultados del estudio podrían ayudar a informar a los materiales de próxima generación sobre nanoestructuras con microcapas.

“Cuando construimos algo como un edificio de ladrillos, podemos hacerlo periódicamente mediante una planificación, medición y molduras cuidadosas”, dijo. «Los moluscos pueden lograr resultados similares a nanoescala utilizando una estrategia diferente. Así que tenemos mucho que aprender de ellos, y este conocimiento podría ayudarnos a fabricar materiales más fuertes y ligeros en el futuro».