行星上最耐用的材料是什么？ 这个问题没有确切的答案，因为这完全取决于您将如何准确地评估强度以及您对这个术语的含义。 有人会说出钻石-最耐用的矿物，有人会说出抗拉强度高达2.7 GPa的纤维网，即 大约是钢的2倍 换句话说，存在许多有机和无机来源的耐用材料。 来自世界各地的科学家们花费了数年的时间研究这些材料，以建立导致其形成的所有物理和化学过程。 珍珠母是一种覆盖了软体动物壳内壁的有机无机材料，是珍珠的基础，被认为是这些长期研究之一的独特对象。 今天，我们将与您会面进行一项研究，密歇根大学的科学家决定通过实时观察发现最耐用的天然材料之一的秘密。 科学家设法发现了什么，珍珠母有什么不寻常的特征，珍珠中发生了什么纳米机械过程，这些发现对人类意味着什么？ 我们从研究小组的报告中了解到这一点。 走吧
学习基础
贵族品纳选择了
Pinna nobilis或noble pinna物种的软体动物作为珍珠母的研究来源。 这些地方性地中海的贝壳长可达120厘米。 在形状上，它类似于一个水滴，水滴的尖锐末端通过不寻常的“根”（byssus螺纹）附着在表面上。 软体动物分泌出比苏（1-2克），并以5-6厘米长的线状形式变硬，人们用这些线来制作细麻布（海丝），这当然被认为非常昂贵且难以制造。 考虑到一种软体动物产生的突触数量，成千上万只软体动物必须“连根拔起”才能生产200-300克细亚麻布。 此外，人们还吃蛤lam肉，这对他们的人口也有不利影响。 除了浮游植物以外，很难将高品纳本身称为危险，因为它像许多双壳类动物一样是过滤器。
亚麻高级大师Chiara Vigo谈到自己的手艺。珍珠母与许多其他材料的不同之处在于，它既是有机来源又是无机来源。 事实是，珍珠母中的主要化合物是矿物文石（CaCO
3 ），更确切地说，是六方晶的宽10–20μm，厚0.5μm的文石。 这些矿物板排列在平行板（层）中，并被由弹性生物聚合物（几丁质，雌激素和丝状蛋白）组成的有机基质层隔开。 以前，发现珍珠母由95-98％的CaCO
3组成 ，而2-5％是生物聚合物。 另外，这些构成元素非常脆弱，但是它们一起使珍珠母非常坚固和有弹性（干燥珍珠母的杨氏模量为70 GPa）。 类似于砖墙的文石板的布置在珍珠母强度的指标上也起到了积极作用，因此可以防止裂纹的传播。
高贵的品尼壳的内壁。珍珠母的外观始终令人赞叹：光滑的银色表面，在灯光下闪烁着彩虹的所有颜色。 当然，类似的观察也有完全科学的解释。 底线是文石板的厚度非常接近可见光的波长。 而且，如果考虑到这些板的数量很多，那么撞击每个板的光线都会受到干扰，从中我们可以从不同的角度看到不同的颜色。
一个装有珍珠母的文件盒（十九世纪至二十世纪，韩国国家博物馆的展览）。珍珠母已被人类认识了数千年。 出于明显的原因，这种材料被用于装饰各种物体：从杯子和胸针到匕首和粉瓶。
但是对于珍珠母的主要所有者，即对于软体动物来说，这种材料并不是为了美。 地幔地幔组织上皮细胞分泌珍珠母，珍珠母不断沉积在壳的内壁上。 形成的保护层可抵御寄生虫和各种微小碎屑，并用珍珠母包裹。 作为此过程的结果，气泡状的珍珠附着在壳的内部，或者套层组织中的游离珍珠附着。
珍珠母的研究反复进行，并且每一项都增加了一些了解该材料的必要知识。
珍珠板建筑的母亲。例如，发现珍珠母发生裂纹时，其抗裂性比其组成的整体式/单晶碳酸钙高40倍。 因此，珍珠母的强度并不特别取决于其化学组成，在化学组成中其机械性能更为重要。
如果我们更详细地检查珍珠质的成分（文石+生物聚合物），结果发现软体动物
Pinna nobilis在珍珠质中有机物
的百分比为3.4±1.0％，由有机层间膜和嵌在5-20 nm矿物板上的晶内有机物质组成。
文石晶体板的表面含有纳米不规则性，大概在防止其滑动方面起着重要作用。 相对的珍珠母板之间的表面不规则有时会形成狭窄的（20–50 nm）内部矿物桥，而没有外部应力，跨过层间膜。 较宽的（150-200 nm）主要内部矿物桥参与了新板的初始形成。
在先前的研究中，科学家建议防止文石层彼此顶部之间的受控滑动，从而阻止裂纹在珍珠母上传播，这有助于将粘塑性能量耗散到有机层中。 但是，不能肯定地说这种机制是主要的，甚至是更独特的。
在我们今天正在研究的研究中，科学家使用TEM和PEM（透射和透射扫描电子显微镜）结合
纳米压痕*观察到珍珠质的变形。
纳米压痕* -通过将特殊工具压头压入样品表面来研究材料。
纳米压痕法显示，当压头压入样品时，珍珠母显示出很强的附着力，即 无机板通过有机界面相互接触。 移除压头后，界面将完全恢复，同时保持其机械强度。 在压缩过程中，文石颗粒和有机包裹体可逆地旋转和变形，这表明珍珠板的母体具有纳米级的弹性。
当确实发生断裂时，有机成分可防止裂纹在板内和板之间传播，从而支持常见的宏观结构以提供进一步的结构载荷。 这就是珍珠母比整体文石吸收更多机械能的原因。 发现珍珠母在破坏发生之前吸收的机械能是地质（即无机来源）文石的大约三倍。
科学家还测量了沿
c轴（板生长的方向）压缩时的屈服强度。 事实证明，珍珠母盘的这一指标是散装珍珠母盘的三倍。
现在，我们直接进行更详细的观察结果检查。
研究成果
在显微镜下，在压头和样品的接触面积为0.04-0.2μm2的范围内，观察到纳米级
弹性变形*和硬化的非线性过程。
弹性变形*是一种变形，在导致变形出现的外力不再作用于对象后消失。
图片编号1图
1a显示了一个高贵的品尼壳的内部。 在
1b上，我们可以看到在压力测试之前板之间的界面。
借助显微镜，由于珍珠母的层级结构，可以识别许多增强过程：（i）平板附着力，（ii）阻尼变形，（iii）钝化裂纹和（iv）晶内变形以及纳米晶粒和有机物的旋转。
尽管事实上有机元素仅占珍珠母总质量的百分之几（2-5％），但它们提供了许多功能，可以吸收所施加载荷的能量。
暗场显微镜可以准确估计珍珠母中有机物的体积分数：7.1±2.2％（占总质量的3.4±1.0％），由2.5±0.3％（占总质量的1.2±0.1％）的层间材料和4.6±1.9％（2.2±占晶体内材料总质量的0.9％。
这些有机内含物使珍珠母能够在纳米级恢复其初始（变形前）形态。 在高载荷下（每
1d 0.7 GPa），相对的板开始通过矿物-有机界面相互粘附，形成临时的无机化合物。 另外，板的整个体积被压缩，这导致有机夹杂物的轻微变形。
停用负载后，在变形的有机界面和内部结构纳米结构中的矿物化合物可以完美地恢复其原始形态，而没有任何稳定的变形（
1e ）。 科学家在耳廓壳的不同部位进行了压力加载的类似测试，所有这些都显示出相同的结果-完全恢复了珍珠母的形态。
图片编号2在TEM研究中，发现珍珠母在变形轮廓中表现出对强压缩和弱压缩的各种机械响应。 沿着板的生长方向施加的下一个压缩载荷产生变形轮廓，该变形轮廓横向延伸到每个板
2a中 。 但是层间膜的剪切阻止了纵向传播到相邻的板。
在较高的载荷下，板彼此直接接触地连接，这允许变形轮廓从凹处（
2b ）沿板沿径向传播。
在第一块板中施加约3％的工程电压（标称值）时，轮廓会连续分布，而在约6％的电压下，两块板之间的粘附力清晰可见。
随着接触应力的进一步增加，板的粘附力从接触点传播的越来越远，应变衰减线性减小。 即，随着珍珠母开始表现为整体材料（
2c ）
，板的
变形性*降低。
变形性* -材料在载荷的影响下具有所需形状而不破坏的能力。
在使用压力的实验过程中，强烈变形的珍珠质完全恢复到其初始状态的〜80％。
图片编号3这在图
3a中清晰可见，其中弹性模量对于八次连续压缩（蓝线和红线）保持不变。
3d和
3d中样品的图片显示，在将载荷增加到0.8 GPa及更高之后，珍珠母开始显示非线性弹性变形的迹象。 但是，与传统的
塑性变形不同，应力释放后，原始结构得以保留。 即使在严重变形的珍珠质（〜0.8-1.1 GPa）中也观察到完全恢复。
塑性变形*是一种变形，即使去除了引起变形的载荷，其后果也不会消失。 这是不可逆的。 塑性变形与弹性相反。
在反复的载荷循环过程中，这种机械强度的保持表明了弹性变形的非线性过程，其特征在于纳米机械弹性，而在传统的散装材料中却没有。 根据科学家的说法，这与相邻板的粘附过程有着独特的联系。
除此之外，可以假设有机包裹体和矿物纳米颗粒的旋转和变形也会影响粘弹性的机理。
TEM分析证实了这一说法，该分析表明，文石纳米颗粒在重新定向时会改变对比度，而有机夹杂物会略微改变其体积。这些纳米级有机夹杂物在材料压缩时的变形会分散载荷，避免了对无机基质（
1c -
1e ）的不可逆破坏。
与通过减小晶界位错的迁移性而硬化的纳米或微颗粒金属不同，珍珠母的蛋白质有机成分包含柔性分子键，可弹性分布纳米颗粒的变形和旋转，从而在去除外部载荷后使系统返回其原始状态。
蛋白质拉伸/解折叠过程中的能量吸收以及弹性体分子重新折叠后的能量释放在珍珠母中提供了高弹性。 但是相反，纳米晶体或纳米双金属具有较低的弹性，因为它们仅由于位错而显示可塑性。
如果外部载荷仍然导致接触点失效，则珍珠母中的有机成分会阻止裂纹在板内部（
3b ，
3c和
4c ）的传播。 如果更详细地讲，则无机基质中的小的有机夹杂物会阻止裂纹在板内部的传播，使裂纹变钝，从而使其方向偏向（
3c ）。 并且，层间膜防止裂纹在板
3b之间扩散。
每次损坏后，珍珠母的一般宏观结构仍然很低，并保持其机械性能（
4a -
4c和下面的视频）。
图片编号4在多个电压循环后，保持珍珠母结构的完整性。在固体断裂力学中，抵抗断裂的能力通过存在裂纹时的抗裂性来量化。 珍珠母是一个非常复杂的系统，包含许多组件，这就是为什么局部应力会导致许多响应的原因。 对珍珠母交换样品的分析表明，其抗裂性为10 MPa·m
1/2 ，是单晶文石〜0.25 MPa·m
1/2的 40倍。
由于珍珠母可以承受多种破坏（载荷循环），直到由于有机物和矿物成分的混合结构而将其完全破坏为止，因此不可能通过裂纹萌生来确定其抗裂性。
但是方解石方解石和整体文石在发生灾难性破坏或断裂破裂之前表现出有限的变形（
4d -
4i ）。
整体文石通过从接触点发出的电压环路对变形产生反应。 软体动物
夜蛾壳中的方解石方解石的行为类似于整体文石，但是，有机界面附近的凹陷显示出对相邻棱镜的显着衰减（
4e ）。
因此，可以准确地说出层间珍珠质膜改变了压缩应变场的形状。 来自
P. nobilis棱柱层的生物方解石和地质整体性文石明显更坚硬（
4k ），并且通常比珍珠母具有更高的屈服强度（
4j ）。 但是，珍珠母（有机+矿物）的混合结构在吸收到完全破坏之前能更好地吸收机械能，是方解石和整体文石的三倍。
科学家们还指出，稍早进行的研究可能会有所澄清。 事实是，纳米压痕法可以测量一块板而不是整个样品的机械性能。 这使得可以评估硬化和弹性增加机制对整个样本规模的贡献。
例如，在这项研究中建立的珍珠
假壳中珍珠母和方解石的弹性模量与散装样品的弹性模量相当。 但是，这项工作中测得的纳米压痕珍珠母的强度达到了1.6±0.2 GPa，是以前对大块样品的3倍。
重要的是要注意，本研究中的样品是干燥的。 已经显示，由于有机基质用水增塑，脱水珍珠母具有比水合珍珠母更高的强度和弹性模量，但是具有更低的冲击强度。
因此，在原生栖息地，即在水下，珍珠贝母的高贵品尼高强度会更高。为了更详尽地了解这项研究的细微差别，我建议您研究一下
科学家的
报告和
其他材料 。
结语
珍珠母因其惊人的美丽而一直被认为是有钱人和贵族的传承。但是这种材料不仅有漂亮的封面，而且还有非常有趣的内容。作为最耐用的材料之一，珍珠母在该指标中甚至超过了其祖先文石。因此，珍珠母表明并非总是单片意味着耐用，因为其由有机物和矿物组成的复杂结构能够承受的压力是单晶文石的3倍。动植物的秘密非常丰富，世界各地的科学家都在努力地揭示这一秘密。问题不仅在于人类的巨大好奇心，而且还在于我们从新知识中获得的利益。例如，这项研究可以更好地理解由有机物和矿物成分组成的混合材料的性能。此类天然复合材料具有增强的强度，这在技术领域从未如此。了解看似相反的物质之间的相互作用不仅可以更好地研究此类化合物，还可以创建它们。可以将第一种技术安全地称为Evolution，因为这一漫长而艰苦而又非常复杂的过程会产生惊人的结果。人无法与自然创造的事物竞争，但他可以从中学习。谢谢您的关注，保持好奇心，照顾大自然，祝大家度过一个愉快的周末！ :)
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