Перламутр ( / ˈ n eɪ k ər / NAY -kər , также / ˈ n æ k r ə / NAK -rə ), [1] также известный как перламутр , представляет собой органо-неорганический композитный материал , производимый некоторыми моллюсками в качестве внутренний слой оболочки . Это также материал, из которого состоит жемчуг . Он сильный, упругий и переливающийся .
Перламутр встречается у некоторых древнейших линий двустворчатых моллюсков , брюхоногих моллюсков и головоногих моллюсков . Однако внутренний слой у подавляющего большинства раковин моллюсков фарфоровый , а не перламутровый , что обычно приводит к непереливающемуся блеску или, реже, к неперламутровому переливу, такому как пламенная структура , как у жемчуга конк .
Внешний слой культивированного жемчуга и внутренний слой раковин жемчужных устриц и пресноводных жемчужных мидий изготовлены из перламутра. Другие семейства моллюсков, которые имеют перламутровый внутренний слой раковины, включают морских брюхоногих моллюсков, таких как Haliotidae , Trochidae и Turbinidae .
Перламутр состоит из шестиугольных пластинок арагонита (разновидность карбоната кальция ) шириной 10–20 мкм и толщиной 0,5 мкм, расположенных в виде непрерывной параллельной пластинки. [2] В зависимости от вида форма таблеток различается; у Пинны таблетки прямоугольной формы, с симметричными секторами, более или менее растворимы. Какой бы формы ни были таблетки, наименьшие содержащиеся в них единицы представляют собой гранулы неправильной округлой формы. [3] Эти слои разделены листами органической матрицы (интерфейсами), состоящими из эластичных биополимеров ( таких как хитин , люстрин и шелкоподобные белки ).
Перламутр кажется переливающимся , поскольку толщина пластинок арагонита близка к длине волны видимого света . Эти структуры конструктивно и разрушительно интерферируют с разными длинами волн света под разными углами обзора, создавая структурные цвета .
Кристаллографическая ось c направлена примерно перпендикулярно стенке оболочки, но направление других осей варьируется в зависимости от группы. Было показано, что соседние планшеты имеют совершенно разную ориентацию оси C, обычно ориентированную случайным образом в пределах ~ 20 ° от вертикали. [4] [5] У двустворчатых моллюсков и головоногих моллюсков ось b указывает в направлении роста раковины, тогда как у моноплакофоры именно в эту сторону наклонена ось a . [6]
Эта смесь хрупких пластинок и тонких слоев эластичных биополимеров делает материал прочным и эластичным, с модулем Юнга 70 ГПа и пределом текучести примерно 70 МПа (в сухом состоянии). [7] Прочность и упругость, вероятно, также обусловлены адгезией пластинок по принципу «кирпичной кладки», которая препятствует распространению поперечных трещин. Эта структура, охватывающая несколько размеров длины, значительно увеличивает его прочность , делая ее почти такой же прочной, как кремний . [8] Интерфейс минерал-органика приводит к повышению упругости и прочности органических прослоек. [9] [10] [11] Соединение кирпичей из перламутра оказывает большое влияние как на механизм деформации, так и на его прочность. [12] Испытания на растяжение , сдвиг и сжатие, анализ Вейбулла , наноиндентирование и другие методы использовались для исследования механических свойств перламутра. [13] Теоретические и вычислительные методы также были разработаны для объяснения экспериментальных наблюдений механического поведения перламутра. [14] [15] Перламутр прочнее при сжимающих нагрузках, чем при растяжении , когда сила прикладывается параллельно или перпендикулярно пластинкам. [13] Будучи ориентированной структурой, перламутр очень анизотропен , и поэтому его механические свойства также зависят от направления.
За механическое поведение перламутра отвечают различные механизмы упрочнения. Сила сцепления , необходимая для разделения белковой и арагонитовой фаз, высока, что указывает на наличие молекулярных взаимодействий между компонентами. [13] В слоистых структурах с твердыми и мягкими слоями (модельной системе, которую можно применять для понимания перламутра) энергия разрушения и прочность на излом больше, чем значения, характерные только для твердого материала. [15] В частности, эта структура способствует отклонению трещины, поскольку трещине легче продолжиться в вязкоупругую и податливую органическую матрицу, чем идти прямо в другую пластинку арагонита. [13] [16] Это приводит к деформации пластичной белковой фазы, в результате чего трещина меняет направление и обходит хрупкую керамическую фазу. [13] [17] На основании экспериментов, проведенных с синтетическими материалами, подобными перламутру , выдвинута гипотеза, что податливая матрица должна иметь большую энергию разрушения, чем упругая энергия при разрушении твердой фазы. [17] Этому явлению способствует выдергивание волокон , которое происходит в других керамических композиционных материалах . [16] В отличие от традиционных синтетических композитов, арагонит в перламутре образует мостики между отдельными таблетками, поэтому структура удерживается вместе не только за счет прочного сцепления керамической фазы с органической, но и за счет этих соединяющих наноразмерных особенностей. [16] [13] Когда начинается пластическая деформация, минеральные мостики могут разрушаться, создавая небольшие неровности, которые делают поверхность раздела арагонит-белок шероховатой. [13] Дополнительное трение, создаваемое неровностями, помогает материалу выдерживать напряжения сдвига. [13] Также было показано, что в перламутровых композитах минеральные мостики увеличивают прочность материала на изгиб , поскольку они могут передавать напряжение в материале. [18] Разработка синтетических композитов, которые обладают такими же механическими свойствами, как перламутр, представляет интерес для ученых, работающих над созданием более прочных материалов. Чтобы добиться этих эффектов, исследователи черпают вдохновение из перламутра и используют синтетическую керамику и полимеры, чтобы имитировать « кирпическую » структуру, минеральные мостики и другие иерархические особенности.
При обезвоживании перламутр теряет большую часть своей прочности и действует как хрупкий материал, подобно чистому арагониту. [13] Обезвоживание также отрицательно влияет на твердость этого материала. [13] Вода действует как пластификатор органической матрицы, улучшая ее прочность и снижая модуль сдвига. [13] Гидратация белкового слоя также снижает его модуль Юнга , что, как ожидается, улучшит энергию разрушения и прочность композита с чередующимися твердыми и мягкими слоями. [15]
Статистическая вариация пластинок отрицательно влияет на механические характеристики (жесткость, прочность и поглощение энергии), поскольку статистическая вариация ускоряет локализацию деформации. [19] Однако негативные последствия статистических отклонений могут быть компенсированы интерфейсами с большой деформацией при разрушении, сопровождающейся деформационным упрочнением. [19] С другой стороны, вязкость разрушения перламутра увеличивается при умеренных статистических колебаниях, что создает жесткие области, где трещина застревает. [20] Однако более высокие статистические отклонения создают очень слабые области, которые позволяют трещине распространяться без особого сопротивления, вызывая снижение вязкости разрушения. [20] Исследования показали, что эти слабые структурные дефекты действуют как диссипативные топологические дефекты, связанные с упругим искажением. [21]
Процесс образования перламутра до конца не ясен. Это наблюдалось у Pinna nobilis , где оно начинается с крошечных частиц (~ 50–80 нм), группирующихся внутри природного материала. Эти частицы выстраиваются в линию, напоминающую волокна, и продолжают размножаться. [22] Когда частиц достаточно, они собираются вместе, образуя перламутр на ранних стадиях. Рост перламутра регулируется органическими веществами, которые определяют, как и когда зарождаются и развиваются кристаллы перламутра. [23]
Считается, что каждый кристалл, который можно рассматривать как «кирпичик», быстро растет, достигая полной высоты слоя перламутра. Они продолжают расти, пока не встретятся с окружающими кирпичиками. [6] Это создает гексагональную плотную упаковку, характерную для перламутра. [6] Рост этих кирпичиков может быть инициирован различными способами, например, из случайно разбросанных элементов внутри органического слоя, [24] из четко определенного расположения белков, [2] или они могут расширяться за счет минеральных мостиков, идущих из нижнего слоя. . [25] [26]
Что отличает перламутр от волокнистого арагонита, похожего по форме, но хрупкого минерала, так это скорость, с которой он растет в определенном направлении (примерно перпендикулярно раковине). Этот рост медленный в перламутре, но быстрый в волокнистом арагоните. [27]
В статье, опубликованной в журнале Nature Physics в 2021 году, исследовался перламутр Unio pictorum , отмечая, что в каждом случае начальные слои перламутра, отложенные организмом, содержали спиральные дефекты. Дефекты, которые развивались в противоположных направлениях, создавали искажения в материале, которые притягивали их друг к другу по мере того, как слои нарастали, пока они не сливались и не уравновешивали друг друга. Более поздние слои перламутра оказались однородными и упорядоченными по структуре. [21] [28]
Перламутр секретируют эпителиальные клетки мантийной ткани различных моллюсков. Перламутр непрерывно откладывается на внутренней поверхности раковины, образуя переливающийся перламутровый слой , широко известный как перламутр . Слои перламутра сглаживают поверхность раковины и помогают защитить мягкие ткани от паразитов и повреждающего мусора, погружая их в последовательные слои перламутра, образуя либо пузырьковую жемчужину, прикрепленную к внутренней части раковины, либо свободную жемчужину внутри тканей мантии. Этот процесс называется инцистацией и продолжается до тех пор, пока жив моллюск.
Форма перламутра варьируется от группы к группе. У двустворчатых моллюсков перламутровый слой образован монокристаллами в гексагональной плотной упаковке . У брюхоногих моллюсков кристаллы двойниковые , а у головоногих — псевдогексагональные монокристаллы, часто двойниковые. [6]
Основными коммерческими источниками перламутра были жемчужные устрицы , пресноводные жемчужные мидии и, в меньшей степени, морское ушко , популярное благодаря своей прочности и красоте во второй половине XIX века.
Широко использовались для изготовления жемчужных пуговиц, особенно в 1900-х годах, раковины большой зеленой улитки-тюрбана Turbo marmoratus и большой улитки-тюрбана Tectus niloticus . Международная торговля перламутром регулируется Конвенцией о международной торговле видами дикой фауны и флоры, находящимися под угрозой исчезновения , соглашением, подписанным более чем 170 странами. [30]
И черный, и белый перламутр используются в архитектурных целях. Натуральный перламутр можно искусственно тонировать практически в любой цвет. Перламутровые тессеры можно разрезать на фигурки и ламинировать на керамическую плитку или мраморную основу. Тессеры складываются вручную и плотно сжимаются вместе, создавая неправильную мозаику или узор (например, переплетение). Ламинированный материал обычно имеет толщину около 2 миллиметров (0,079 дюйма). Затем тессеры покрываются лаком и полируются , создавая прочную и блестящую поверхность. Вместо использования мраморной или плиточной основы перламутровые мозаики можно приклеить к стекловолокну . В результате получается легкий материал, который обеспечивает бесшовную установку и не имеет ограничений по размеру листа. Перламутровые листы можно использовать на внутренних полах, наружных и внутренних стенах, столешницах, дверях и потолках. Легко осуществляется вставка в архитектурные элементы, такие как колонны или мебель. [ нужна цитата ]
Перламутровая инкрустация часто используется для музыкальных клавиш и других декоративных мотивов на музыкальных инструментах. Корпуса многих аккордеонов и гармошек полностью покрыты перламутром, а некоторые гитары имеют вставки на грифе или грифе из перламутра (или вставки из пластика, имитирующего перламутр ). Бузуки и баглама (греческие щипковые инструменты семейства лютни ) обычно украшены перламутровыми украшениями, как и родственный ближневосточный уд ( обычно вокруг резонаторных отверстий и на задней стороне инструмента). Смычки струнных инструментов, таких как скрипка и виолончель, часто имеют перламутровую инкрустацию на лягушке. Он традиционно используется на клавишах саксофона , а также на кнопках клапанов труб и других духовых инструментов. Ближневосточный кубковый барабан (дарбука) обычно украшается перламутром. [ нужна цитата ]
В конце 19 века Анукул Чаран Мунши был первым опытным художником, который успешно вырезал из раковин устриц форму человека, что привело к открытию новых горизонтов в современном индийском искусстве. На выставке Британской империи в 1924 году он получил золотую медаль. [31] [32] Его старшему сыну Аннаде Мунши приписывают рисование индийского движения Свадеси в форме индийской рекламы. [33] Третий сын Анукула Чарана Мунши, Ману Мунши, был одним из лучших художников по перламутру в середине 20 века. В качестве лучшего примера «искусства Чару и Кару Бенгалии» бывший главный министр Западной Бенгалии доктор Бидхан Чандра Рой отправил в Соединенные Штаты работу Ману «Ноакхали Абхиян Ганди» . Среди покровителей его произведений искусства были многочисленные выдающиеся деятели, такие как Сатьяджит Рай , Бидхан Чандра Рой , адвокат Субодх Чандра Рой, Субха Тагор , Хумаюн Кабир , Джехангир Кабир , а также его старший брат Аннада Мунши. «Индира Ганди» была одним из его знаменитых перламутровых произведений искусства. Ему приписывают изображение Тагора в различных творческих позах, искусно вырезанных на металлических пластинах. [34] [35] Его двоюродный брат Пратип Мунши также был известным художником по перламутру. [36] [37]
Перламутровые пуговицы используются в одежде как в функциональных, так и в декоративных целях. «Жемчужные короли и королевы» — яркий тому пример.
Иногда его используют в декоративных рукоятках огнестрельного оружия и в другой оружейной мебели. [ нужна цитата ]
Из перламутра иногда делают ложкообразную посуду для икры (т. е. подставки для икры [38] [39] ), чтобы не портить вкус металлическими ложками.
Биотехнологическая компания Marine Biomedical, созданная в результате сотрудничества Медицинской школы Университета Западной Австралии и предприятия по добыче жемчуга в Бруме , с 2021 года [update]разрабатывает перламутровый продукт для создания «PearlBone», который можно будет использовать у пациентов, нуждающихся в костной пластике и реконструктивной хирургии. . Компания подает заявку на одобрение регулирующих органов в Австралии и ряде других стран и ожидает, что она будет одобрена для клинического использования примерно в 2024–205 годах. В регионе Кимберли , где много жемчужных раковин , планируется построить завод , который будет перемалывать перламутр в продукт, пригодный для использования в биомедицинских продуктах. Будущие применения могут включать в себя пломбирование зубов и хирургию позвоночника . [40]
В 2012 году исследователи создали в лаборатории перламутр на основе кальция, имитируя процесс его естественного роста. [41]
В 2014 году исследователи использовали лазеры для создания аналога перламутра путем гравировки сети волнистых трехмерных «микротрещин» в стекле. Когда слайды подвергались удару, микротрещины поглощали и рассеивали энергию, не позволяя стеклу разбиться. В целом обработанное стекло, как сообщается, было в 200 раз прочнее, чем необработанное. [42]
