除了其彩虹般的美丽，珍珠母或珍珠，鲍鱼，贻贝和某些其他软体动物贝壳的内衬，也以惊人的强度和韧性而闻名，这一直是一个长期的谜。现在，科学家们利用偏光x射线束和先进光源(ALS)的纳米级成像能力，揭示了珍珠纳米结构结构的一个新方面，ALS是美国能源部劳伦斯伯克利国家实验室(伯克利实验室)的国家同步加速器设施。
威斯康星大学麦迪逊分校的物理学教授Pupa Gilbert领导了这项研究，他说:“珍珠是一种生物矿物，由薄层的结晶文石片组成，中间由更薄层的有机材料隔开。我们的研究已经揭示了珍珠中的文石片晶体相互之间的取向是错误的。这种独特的结构安排令人惊讶，可能在珍珠非凡的抗断裂性中发挥作用。”
大约95%的珍珠成分是文石，一种硬而脆的碳酸钙矿物，但珍珠比文石坚硬3000倍。没有一种人工合成的复合材料能以如此大的幅度超越其组成材料。因此，珍珠一直被深入研究，特别是在陶瓷和纳米技术工业中，脆性仍然是一个主要的限制。目标是了解珍珠在自然界中是如何形成的，这样就可以为陶瓷和其他材料设计新的微结构，以增加它们的韧性。然而，过去的研究人员缺乏在纳米尺度上研究珍珠形成动力学所需的工具。现在，ALS的新能力，包括偏振x射线束，使这成为可能。
吉尔伯特和她的同事们在《美国化学学会杂志》上发表了他们的发现，题为《红鲍鱼珍珠层的渐进排序》。与吉尔伯特共同撰写这篇论文的有威斯康辛大学的丽贝卡·梅茨勒、周东和苏珊·科珀史密斯，以及伯克利实验室的安德烈斯·肖尔、安德鲁·多兰、安东尼·杨、马丁·昆兹和田村信道。
珍珠在渐冻症聚光灯下
ALS是一种电子同步加速器，它可以将电子加速到19亿电子伏特(GeV)的能量，将它们聚焦成一个紧密的光束，并将这个光束围绕一个存储环发送数小时。在存储环中，通过使用弯曲、摆动或波动磁性装置，从电子束中提取出紫外线和x射线光束。这些光束比最好的x射线管发出的光束要亮1亿倍，并且可以调整到与科学上重要的波长范围相匹配。ALS光束线11.0.1具有世界上最好的光电发射电子显微镜之一，PEEM-3，由椭圆偏振波动器供电。在PEEM-3中，用光束照射样品，使样品的原子、分子或晶体发射电子，然后成像以揭示发射原子、分子和晶体的位置和结构排列。
吉尔伯特说:“我们使用PEEM-3研究红鲍鱼(Haliotis rufescens)的珍珠层，获得了关于单个文石片的位置、大小和相对方向的前所未有的细节和定量信息。”“PEEM-3为我们提供了精美的纳米级空间分辨率和大视野，可以同时包括数百片药片，而辐射损伤可以忽略不计。”
合著者Scholl在ALS Beamline 11.0.1中管理PEEM-3，他说:“PEEM-3控制极化的能力是我们可以为用户提供的新功能之一，对于确定文石片剂的晶体方向至关重要。偏振x射线与定向晶体的相互作用不同，这取决于晶体轴的相对方向和x射线偏振。同样重要的是，由于晶体和有机间隔材料的纳米尺寸，PEEM-3具有非常高的空间分辨率。”
太空竞争
在PEEM-3的探测偏振光下，Gilbert和她的同事测量了文石晶体取向、片剂大小和片剂堆叠方向。这些测量结果表明，不同方向的文石晶体导致不同的片剂生长速度。反过来，这些不同的表增长速度产生了自排序，它逐渐选择增长速度越来越快的平板电脑。此外，这种自我排序在大约50微米的距离内逐渐发生。吉尔伯特说:“我们的研究结果表明，至少在珍珠形成的一个方面，即文石片的自排序是独立于生物或有机分子控制的。”“虽然这一发现动摇了生物矿化中普遍接受的有机矿物模板的观点，但它是自然界中进化的动力学系统的典型特征，以选择材料中增长最快的元素。”
根据这些结果，Gilbert和合著者Coppersmith假设了珍珠层组装的“空间竞争”理论模型，该模型基于快速片剂生长速率的渐进动力学选择和成核新晶体取向的小概率。模型的计算结果与侧面和面内实验数据基本一致。
吉尔伯特和她的合著者正在整理的珍珠形成的图片中仍然缺少的一个关键部分是关于文石晶体在珍珠和外壳棱柱状外层边界附近和远处定向错误的定量程度的信息。根据吉尔伯特的假设，文石片的定向有序程度应该随着距离珍珠-棱镜边界的距离而增加。为了获得这些信息，她求助于ALS Beamline 12.3.2，这是一种x射线微衍射设备。
管理x射线微衍射光束线的合著者Tamura解释说:“我们的设备能够使用一种称为白束x射线微衍射的技术，以高空间分辨率和精度测量珍珠中单个文石片的方向。在这项研究中，我们能够在几个小时内进行测量，一旦我们分析了数据，晶体取向数字就出来了——文石晶体取向错误的角度扩展从棱镜边界的24度下降到几十微米外的6度。”
吉尔伯特说，这项研究的下一步是将珍珠的研究从红鲍鱼(一种腹足类软体动物)扩展到其他软体动物的贝壳，包括双壳类，如某些牡蛎和贻贝，以及头足类，如鹦鹉螺。红鲍鱼和鹦鹉螺的珠壳是一种称为“柱状”的类型，而双壳类的珠壳是一种称为“片状”的类型。片状珍珠的形成机制与柱状珍珠的形成机制不同。
Gilbert说:“我们现在正在努力获取更多关于其他珍珠形成贝壳的PEEM-3数据，同时开发两个独立的珍珠形成理论模型，一个是片状珍珠，一个是柱状珍珠。这些模型将比我们现在拥有的复杂得多。”
这项研究得到了美国国家科学基金会和美国能源部科学办公室的资助。
关于伯克利实验室
伯克利实验室是位于加州伯克利的美国能源部国家实验室。它进行非机密的科学研究，由加州大学管理。
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