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 , вырабатываемый некоторыми моллюсками в качестве внутреннего слоя раковины . Это также материал, из которого состоят жемчужины . Он прочный, упругий и переливающийся .
Перламутр обнаружен в некоторых древнейших линиях двустворчатых , брюхоногих и головоногих моллюсков . Однако внутренний слой в подавляющем большинстве раковин моллюсков фарфоровый , а не перламутровый, и это обычно приводит к нерадужному блеску или, реже, к неперламутровой иризации, такой как структура пламени , как у жемчуга конк .
Наружный слой культивированного жемчуга и внутренний слой раковин жемчужниц и пресноводных жемчужниц состоят из перламутра. Другие семейства моллюсков, которые имеют перламутровый внутренний слой раковины, включают морских брюхоногих моллюсков, таких как Haliotidae , Trochidae и Turbinidae .
Перламутр состоит из гексагональных пластинок арагонита (форма карбоната кальция ) шириной 10–20 мкм и толщиной 0,5 мкм, расположенных в непрерывной параллельной пластинке. [2] В зависимости от вида форма таблеток различается; у Pinna таблетки прямоугольные, с симметричными секторами, более или менее растворимыми. Какова бы ни была форма таблеток, наименьшие единицы, которые они содержат, представляют собой нерегулярные округлые гранулы. [ 3] Эти слои разделены листами органической матрицы (интерфейсами), состоящими из эластичных биополимеров (таких как хитин , люстрин и шелкоподобные белки ).
Перламутр кажется переливающимся, потому что толщина пластинок арагонита близка к длине волны видимого света . Эти структуры конструктивно и деструктивно взаимодействуют с различными длинами волн света под разными углами обзора, создавая структурные цвета .
Кристаллографическая ось c указывает приблизительно перпендикулярно стенке раковины, но направление других осей варьируется между группами. Было показано, что соседние таблетки имеют резко отличающуюся ориентацию оси c, обычно случайным образом ориентированную в пределах ~20° от вертикали. [4] [5] У двустворчатых и головоногих моллюсков ось b указывает в направлении роста раковины, тогда как у моноплакофоры это ось a , которая наклонена таким образом. [6]
Эта смесь хрупких пластинок и тонких слоев эластичных биополимеров делает материал прочным и упругим, с модулем Юнга 70 ГПа и пределом текучести примерно 70 МПа (в сухом состоянии). [7] Прочность и упругость также, вероятно, обусловлены адгезией за счет расположения пластинок по принципу «кирпичной кладки», что препятствует распространению поперечных трещин. Эта структура, охватывающая несколько размеров длины, значительно увеличивает его прочность , делая его почти таким же прочным, как кремний . [8] Минерально-органический интерфейс приводит к повышению упругости и прочности органических прослоек. [9] [10] [11] Взаимосвязь кирпичей 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] Также были разработаны теоретические и вычислительные методы 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] Как ориентированная структура, перламутр сильно анизотропен , и поэтому его механические свойства также зависят от направления.
За механическое поведение перламутра отвечают различные механизмы упрочнения. Сила адгезии , необходимая для разделения белковой и арагонитовой фаз, высока, что указывает на наличие молекулярных взаимодействий между компонентами. [13] В ламинированных структурах с твердыми и мягкими слоями, модельной системе, которую можно применить для понимания перламутра, энергия разрушения и прочность на разрыв 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 перейти прямо в другую пластинку арагонита. [13] [16] Это приводит к деформации пластичной белковой фазы таким образом, что трещина меняет направление и избегает хрупкой керамической фазы. [13] [17] На основе экспериментов, проведенных на синтетических материалах , подобных перламутру , выдвинута гипотеза, что податливая матрица должна иметь большую энергию разрушения, чем упругая энергия при разрушении твердой фазы. [17] Вытягивание волокон , которое происходит в других керамических композитных материалах , способствует этому явлению. [16] В отличие от традиционных синтетических композитов, арагонит в перламутре образует мосты между отдельными таблетками, поэтому структура удерживается вместе не только за счет прочной адгезии керамической фазы к органической, но и за счет этих соединительных наномасштабных особенностей. [16] [13] Когда начинается пластическая деформация, минеральные мосты могут разрушаться, создавая небольшие неровности, которые делают шероховатым интерфейс арагонит-белок. [13] Дополнительное трение, создаваемое неровностями, помогает материалу выдерживать сдвиговые напряжения. [13] В композитах, подобных перламутру, минеральные мосты также, как было показано, увеличивают прочность материала на изгиб , поскольку они могут передавать напряжение в материале. [18] Разработка синтетических композитов, которые демонстрируют такие же механические свойства, как перламутр, представляет интерес для ученых, работающих над разработкой более прочных материалов. Для достижения этих эффектов исследователи черпают вдохновение в перламутре и используют синтетическую керамику и полимеры для имитации структуры « кирпича и раствора », минеральных мостиков и других иерархических особенностей.
При дегидратации перламутр теряет большую часть своей прочности и действует как хрупкий материал, как чистый арагонит. [13] Твердость этого материала также отрицательно влияет на дегидратацию. [13] Вода действует как пластификатор для органической матрицы, улучшая ее прочность и снижая ее 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 оказывает отрицательное влияние на механические характеристики (жесткость, прочность и поглощение энергии), поскольку статистическая вариация ускоряет локализацию деформации. [19] Однако отрицательные эффекты статистических вариаций могут быть компенсированы интерфейсами с большой деформацией при разрушении, сопровождаемыми деформационным упрочнением. [19] С другой стороны, вязкость разрушения перламутра увеличивается при умеренных статистических вариациях, что создает жесткие области, где трещина закрепляется. [20] Но более высокие статистические вариации создают очень слабые области, что позволяет трещине распространяться без большого сопротивления, вызывая снижение вязкости разрушения. [20] Исследования показали, что эти слабые структурные дефекты действуют как диссипативные топологические дефекты, связанные упругой деформацией. [21]
Процесс формирования перламутра не совсем ясен. Он наблюдался в Pinna nobilis , где он начинается с крошечных частиц (~50–80 нм), группирующихся вместе внутри природного материала. Эти частицы выстраиваются в линию, напоминающую волокна, и продолжают размножаться. [22] Когда частиц достаточно, они объединяются, образуя ранние стадии перламутра. Рост перламутра регулируется органическими веществами, которые определяют, как и когда начинаются и развиваются кристаллы перламутра. [23]
Каждый кристалл, который можно рассматривать как «кирпич», как полагают, быстро растет, чтобы соответствовать полной высоте слоя перламутра. Они продолжают расти, пока не встретятся с окружающими кирпичами. [6] Это создает гексагональную плотную упаковку, характерную для перламутра. [6] Рост этих кирпичей может быть инициирован различными способами, например, из случайно разбросанных элементов в органическом слое, [24] четко определенных расположений белков, [2] или они могут расширяться из минеральных мостиков, идущих из слоя ниже. [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 оболочке). Этот рост медленный в перламутре, но быстрый в волокнистом арагоните. [27]
В статье 2021 года в Nature Physics был рассмотрен перламутр из Unio pictorum , в которой отмечалось, что в каждом случае начальные слои перламутра, отложенные организмом, содержали спиральные дефекты. Дефекты, которые закручивались в спирали в противоположных направлениях, создавали искажения в материале, которые притягивали их друг к другу по мере того, как слои наращивались, пока они не сливались и не уничтожили друг друга. Более поздние слои перламутра оказались однородными и упорядоченными по структуре. [21] [28]
Перламутр выделяется эпителиальными клетками мантийной ткани различных моллюсков. Перламутр непрерывно откладывается на внутренней поверхности раковины, переливающемся перламутровом слое , обычно известном как перламутр . Слои перламутра сглаживают поверхность раковины и помогают защищать мягкие ткани от паразитов и повреждающего мусора, погребая их в последовательных слоях перламутра, образуя либо блистерную жемчужину, прикрепленную к внутренней части раковины, либо свободную жемчужину в тканях мантии. Этот процесс называется инцистированием , и он продолжается до тех пор, пока моллюск жив.
Форма перламутра варьируется от группы к группе. У двустворчатых моллюсков слой перламутра образован из отдельных кристаллов в гексагональной плотной упаковке . У брюхоногих моллюсков кристаллы сдвойникованы , а у головоногих моллюсков они представляют собой псевдогексагональные монокристаллы, которые часто сдвойникованы. [6]
Основными коммерческими источниками перламутра были жемчужницы , пресноводные жемчужницы и, в меньшей степени, морские ушки , популярные во второй половине XIX века благодаря своей прочности и красоте.
Широко использовались для перламутровых пуговиц, особенно в 1900-х годах, раковины большой зеленой тюрбановой улитки Turbo marmoratus и большой верхней улитки 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]
Как черный, так и белый перламутр используются в архитектурных целях. Натуральный перламутр может быть искусственно окрашен практически в любой цвет. Мозаика из перламутра может быть разрезана на формы и ламинирована на керамическую плитку или мраморную основу. Мозаика размещается вручную и плотно спрессовывается, создавая нерегулярную мозаику или узор (например, переплетение). Толщина ламинированного материала обычно составляет около 2 миллиметров (0,079 дюйма). Затем мозаика покрывается лаком и полируется , создавая прочную и глянцевую поверхность. Вместо использования мраморной или плиточной основы мозаика из перламутра может быть приклеена к стекловолокну . В результате получается легкий материал, который обеспечивает бесшовную установку, и нет ограничений по размеру листа. Листы перламутра могут использоваться на внутренних полах, внешних и внутренних стенах, столешницах, дверях и потолках. Вставка в архитектурные элементы, такие как колонны или мебель, легко выполняется. [ необходима цитата ]
Инкрустация перламутром часто используется для музыкальных клавиш и других декоративных мотивов на музыкальных инструментах. Многие корпуса аккордеонов и концертино полностью покрыты перламутром, а некоторые гитары имеют инкрустацию грифа или головки грифа из перламутра (или инкрустацию из пластика, имитирующего перламутр ). Бузуки и багламы (греческие щипковые струнные инструменты семейства лютневых ) обычно имеют перламутровые украшения, как и родственный им 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. Она традиционно используется на клавишах саксофона , а также на кнопках клапанов труб и других духовых инструментов. Ближневосточный кубковый барабан (дарбука) обычно украшается перламутром. [ необходима цитата ]
В конце 19 века Анукул Мунси был первым талантливым художником, который успешно вырезал раковины устриц , чтобы придать им форму человека, что привело к изобретению нового горизонта в индийском современном искусстве. За выставку Британской империи в 1924 году он получил золотую медаль. [31] [32] Его старшему сыну Аннаде Мунши приписывают создание индийского движения свадеси в форме индийской рекламы. [33] Третий сын Анукул Чаран Мунши Ману Мунши был одним из лучших художников по перламутру в середине 20 века. Как лучший пример «искусства Чару и Кару Бенгалии», бывший главный министр Западной Бенгалии , доктор Бидхан Чандра Рой , отправил произведение Ману «Ноакхали Абхиян Гандиджи» в Соединенные Штаты . Многочисленные выдающиеся личности, такие как Сатьяджит Рэй , Бидхан Чандра Рой , адвокат Субодх Чандра Рой, Субхо Тагор , Хумаюн Кабир , Джехангир Кабир , а также его старший брат Аннада Мунши, были среди покровителей его произведений искусства. «Индира Ганди» была одним из его знаменитых произведений искусства из перламутра. Ему приписывают изображение Тагора в различных творческих позах, которые были искусно вырезаны 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. Pearly Kings and Queens — яркий тому пример.
Иногда его используют в декоративных рукоятках огнестрельного оружия и в другой оружейной фурнитуре. [ необходима ссылка ]
Из перламутра иногда изготавливают ложкообразные приборы для икры (икорные лопатки [38] [39] ), чтобы не портить вкус икры металлическими ложками.
Биотехнологическая компания Marine Biomedical, созданная в результате сотрудничества между Медицинской школой Университета Западной Австралии и жемчужным бизнесом из Брума , с 2021 года [update]разрабатывает продукт на основе перламутра для создания «PearlBone», который может использоваться для пациентов, нуждающихся в костной пластике и реконструктивной хирургии . Компания подает заявку на получение одобрения регулирующих органов в Австралии и нескольких других странах и ожидает, что он будет одобрен для клинического использования примерно в 2024–2025 годах. Планируется построить завод в регионе Кимберли , где в изобилии встречаются жемчужные раковины, который будет измельчать перламутр в продукт, пригодный для использования в биомедицинских продуктах. Будущие области применения могут включать зубные пломбы и спинальную хирургию . [40]
В 2012 году исследователи создали перламутр на основе кальция в лабораторных условиях, имитируя его естественный процесс роста. [41]
В 2014 году исследователи использовали лазеры для создания аналога перламутра, гравируя сети волнистых 3D «микротрещин» в стекле. Когда слайды подвергались удару, микротрещины поглощали и рассеивали энергию, не давая стеклу разбиться. В целом, обработанное стекло, как сообщается, было в 200 раз прочнее необработанного. [42]
