在可以为未来的高性能纳米材料提供信息的研究中，密歇根大学领导的团队首次发现了软体动物如何构建具有对称性的超耐用结构，其对称性超过了自然界中除单个原子之外的其他任何事物。

密歇根大学材料科学与工程助理教授、该论文的作者罗伯特霍夫登说：“我们人类，凭借我们所有的技术，无法制造出像珍珠一样复杂的纳米级结构的东西。” “所以我们可以通过研究珍珠如何从无序的虚无变成这种非常对称的结构来学到很多东西。”

该分析是与澳大利亚国立大学、劳伦斯伯克利国家实验室、西挪威大学和康奈尔大学的研究人员合作完成的。

该研究发表在《国家科学院院刊》上，发现珍珠的对称性随着它的构建变得越来越精确，回答了几个世纪以来关于其中心的无序如何变得完美的问题。

珍珠层是一种彩虹色且极其耐用的有机-无机复合材料，也构成牡蛎和其他软体动物的壳，建立在围绕有机中心的文石碎片上。这些层占珍珠体积的 90% 以上，随着它们从中心向外堆积，这些层会逐渐变薄并更加紧密地匹配。

也许最令人惊讶的发现是，软体动物通过调整每一层珍珠层的厚度来保持珍珠的对称性。如果一层较厚，则下一层往往较薄，反之亦然。研究中描绘的珍珠包含 2,615 层精心匹配的珍珠层，沉积时间超过 548 天。

“这些薄而光滑的珍珠层看起来有点像床单，中间夹着有机物，”霍夫登说。“每一层之间都有相互作用，我们假设这种相互作用使系统能够在它进行时进行纠正。”

该团队还发现了有关层之间交互如何工作的详细信息。对珍珠层的数学分析表明，它们遵循一种称为“1/f 噪声”的现象，其中一系列看似随机的事件相互关联，每个新事件都受到前一个事件的影响。1/f 噪声已被证明可以控制各种自然和人为过程，包括地震活动、经济市场、电力、物理学甚至古典音乐。

“例如，当你掷骰子时，每一次掷骰子都是完全独立的，并且与其他每一次掷骰子都是分开的。但是 1/f 噪声是不同的，因为每个事件都是相互关联的，”霍夫登说。“我们无法预测它，但我们可以在混乱中看到一个结构。在这个结构中是复杂的机制，使珍珠的数千层珍珠层能够朝着有序和精确的方向融合。”

研究小组发现，珍珠缺乏真正的长程有序——这种精心规划的对称性使砖房中的数百层保持一致。相反，珍珠呈现中等范围的有序性，一次保持约 20 层的对称性。这足以在构成珍珠的数千层中保持一致性和耐用性。

该团队通过研究由澳大利亚东部海岸线附近的 Pinctada imbricata fucata 牡蛎生产的 Akoya“keshi”珍珠收集了他们的观察结果。他们选择了这些直径约 50 毫米的特殊珍珠，因为它们是自然形成的，而不是有人工中心的有珠养殖珍珠。每颗珍珠都用金刚石线锯切割成直径 3 到 5 毫米的部分，然后抛光并在电子显微镜下检查。

Hovden 说，这项研究的发现可能有助于为具有精确分层纳米级结构的下一代材料提供信息。

“当我们建造砖房之类的东西时，我们可以通过仔细规划、测量和模板来周期性地建造，”他说。“软体动物可以通过使用不同的策略在纳米尺度上获得类似的结果。所以我们有很多东西要向它们学习，这些知识可以帮助我们在未来制造更坚固、更轻的材料。”