強さときらめく美しさ: マザーオブパールの魅力的な特性は、驚くほど規則正しい微細構造によるものです。研究者らは今回、真珠層の初期の無秩序から完全に規則的な構造が発達する興味深い自己組織化メカニズムを発見した。したがって、真珠層形成の初期には、逆にねじれた欠陥構造が発生します。それらが出会うと、それらは互いに打ち消し合い、張力システムの変化をもたらし、真珠層の構造が同期します。
長年研究者を魅了してきた生体材料：マザーオブパールは、炭酸カルシウムと有機物質からなる洗練された複合材料であり、驚くべき強度と光学的特性を特徴としています。顕微鏡検査により、非常に規則的な一種のレンガ壁構造が明らかになります。研究者たちは、真珠層の特性を応用できるようにするために、この原理を模倣しようと長い間試みてきました。技術的な製造プロセスはすでに大きな成功を収めています。しかし、天然の螺鈿生産者であるムール貝などがどのようにして複雑な一体構造を作り出すのかは、これまでのところ不明のままである。
驚くべき規則性が見える
1 つ明らかなことは、殻とその内側を覆う真珠層は、軟体動物の外套膜組織の細胞によって生成されるということです。多数の個々の細胞がさまざまな場所で同時に物質を形成し、堆積します。これにより徐々に層が形成され、最終的には敏感な軟体動物を保護するシールドが形成されます。研究の一環として、ドレスデン工科大学のイーゴリ・ズロトニコフ率いる研究者らは、この形成プロセスがどのようにしてマザーオブパールの非常に周期的で均一な構造をもたらすのかという問題を調査した。
研究の一環として、彼らはシンクロトロンベースのホログラフィックX線ナノトモグラフィーを使用してUnio pictorum貝の殻を検査し、真珠層の成長を経時的に記録した。 「真珠母は、サイズが 50 ナノメートル未満の有機的な特徴を備えた非常に微細な構造です。私たちの最新の検査技術は、螺鈿を三次元で見ることができる理想的な機会を与えてくれました」とズロトニコフ氏は言います。
彼らの調査で最初に明らかになったのは、真珠層の形成は、細胞が同時に異なる場所に物質を沈着させながら、調和せずに始まるということだった。その結果、初期の真珠層の構造もかなり不規則になり、欠陥が特徴です。 「層状の無機有機組織は、最初から構造上の欠陥が多く、らせん状に複数の層に広がります。実際、それらは右回りまたは左回りの螺旋階段のように見えます」とズロトニコフ氏は説明します。一方、成熟した真珠層にはこれらの欠陥はなくなり、規則的で均一な構造を持ちます。
反対のものは引き合う
真珠層が成長するにつれて構造欠陥に何が起こるかを追跡するために、研究者らは人工知能を使用しました。彼らはニューラルネットワークを訓練して、さまざまな真珠層の微細構造を分析および追跡しました。初期の真珠層構造では、螺旋方向が反対の欠陥構造が会合していることが示された。比較的遠くからでも引きつけ合うようです。
科学者らのモデリングは、これらの会合が真珠層の周期構造の発達に重要な役割を果たすことを示唆している。右巻きと左巻きの欠陥が出会うと、それぞれのねじれ応力が互いに打ち消し合う。これらのイベントは、組織全体の構造の同期につながります。時間の経過とともに、真珠層は完全に規則的で欠陥のない構造を形成できると科学者たちは説明しています。
彼らが結論づけているように、周期的な真珠層のような構造は他の多くの動物によっても生成されるため、その結果はイガイなどの超物質の形成を理解する上で重要であるだけではない。したがって研究者らは、新たに発見されたメカニズムがこれらの生体構造の形成にも役割を果たしている可能性があると考えている。
出典: ドレスデン工科大学、専門記事: Nature Physics、doi: 10.1038/s41567-020-01069-z
