En una investigación que podría informar futuros nanomateriales de alto rendimiento, un equipo dirigido por la Universidad de Michigan ha descubierto por primera vez cómo los moluscos construyen estructuras ultradurables con un nivel de simetría que supera todo lo demás en el mundo natural, con la excepción de losátomos.
"Los humanos, con todo nuestro acceso a la tecnología, no podemos hacer algo con una arquitectura a nanoescala tan intrincada como una perla", dijo Robert Hovden, profesor asistente de ciencia e ingeniería de materiales de la UM y autor del artículo.podemos aprender mucho estudiando cómo las perlas pasan de la nada desordenada a esta estructura notablemente simétrica ".
El análisis se realizó 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 el Actas de la Academia Nacional de Ciencias , el estudio encontró que la simetría de una perla se vuelve cada vez más precisa a medida que se construye, respondiendo preguntas de siglos de antigüedad sobre cómo el desorden en su centro se convierte en una especie de perfección.
Las capas de nácar, el compuesto orgánico-inorgánico iridiscente y extremadamente duradero que también forma las conchas de las ostras y otros moluscos, se construyen sobre un fragmento de aragonito que rodea un centro orgánico. Las capas, que constituyen más del 90% deel volumen de una perla, se vuelven progresivamente más delgados y se asemejan más a medida que se acumulan hacia afuera desde el centro.
Quizás el hallazgo más sorprendente es que los moluscos mantienen la simetría de sus perlas ajustando el grosor de cada capa de nácar. Si una capa es más gruesa, la siguiente tiende a ser más delgada, y viceversa. La perla que se muestra en el estudio contiene2.615 capas de nácar finamente emparejadas, depositadas durante 548 días.
"Estas capas delgadas y suaves de nácar se parecen un poco a las sábanas de una cama, con materia orgánica en el medio", dijo Hovden. "Existe una interacción entre cada capa, y planteamos la hipótesis de que esa interacción es lo que permite que el sistema corrija a medida que avanzaa lo largo de."
El equipo también descubrió detalles sobre cómo funciona la interacción entre capas. Un análisis matemático de las capas de la perla muestra que siguen un fenómeno conocido como "ruido 1 / f", donde una serie de eventos que parecen ser aleatorios están conectados.con cada nuevo evento influenciado por el anterior. Se ha demostrado que el ruido 1 / f gobierna una amplia 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 tira los dados, por ejemplo, cada tirada es completamente independiente y está desconectada de las demás tiradas. Pero el ruido 1 / f es diferente porque cada evento está vinculado", dijo Hovden. "No podemos predecirlo, peropodemos ver una estructura en el caos. Y dentro de esa estructura hay mecanismos complejos que permiten que las miles de capas de nácar de una perla se fusionen hacia el orden y la precisión ".
El equipo descubrió que las perlas carecen de un verdadero orden de largo alcance, el tipo de simetría cuidadosamente planificada que mantiene consistentes los cientos de capas en los edificios de ladrillo. En cambio, las perlas exhiben un orden de rango medio, manteniendo la simetría alrededor de 20 capas a la vez. Esto es suficiente para mantener la consistencia y durabilidad sobre las miles de capas que componen una perla.
El equipo reunió sus observaciones mediante el estudio de las perlas "keshi" de Akoya, producidas por la ostra Pinctada imbricata fucata cerca de la costa oriental de Australia. Seleccionaron estas perlas en particular, que miden alrededor de 50 milímetros de diámetro, porque se forman naturalmente, a diferencia dea perlas cultivadas con perlas, 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 hallazgos del estudio podrían ayudar a informar los materiales de próxima generación con una arquitectura a nanoescala en capas con precisión.
"Cuando construimos algo como un edificio de ladrillos, podemos incorporar la periodicidad a través de una planificación cuidadosa, la medición y la creación de plantillas", dijo. "Los moluscos pueden lograr resultados similares en la nanoescala mediante el uso de una estrategia diferente. Así que tenemos mucho que haceraprender de ellos, y ese conocimiento podría ayudarnos a fabricar materiales más resistentes y ligeros en el futuro ".
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