En una investigación que podría dar forma a futuros nanomateriales de alto rendimiento, un equipo dirigido por la Universidad de Michigan descubrió por primera vez cómo los moluscos construyen estructuras ultraduraderas con un nivel de simetría que supera todo lo demás en el mundo natural, con la excepción de los átomos individuales.

"Los humanos, con todo nuestro acceso a la tecnología, no podemos hacer algo con una arquitectura a nanoescala tan intrincada como una perla", dijo Robert Hovden, profesor asistente de ciencia e ingeniería de materiales de la U-M y autor del artículo. "Así que podemos aprender mucho al estudiar cómo las perlas pasan de la nada desordenada a esta estructura notablemente simétrica".

El análisis se realizó en colaboración con investigadores de la Universidad Nacional de Australia, el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley, la Universidad de Noruega Occidental y la Universidad de Cornell.

Publicado en las Proceedings of the National Academy of Sciences , el estudio encontró que la simetría de una perla se vuelve más y más precisa a medida que se construye, respondiendo preguntas centenarias sobre cómo el desorden en su centro se convierte en una especie de perfección.

Las capas de nácar, el compuesto orgánico-inorgánico iridiscente y extremadamente duradero que también forma las conchas de las ostras y otros moluscos, se construyen sobre un fragmento de aragonito que rodea un centro orgánico. Las capas, que constituyen más del 90 % del volumen de una perla, se vuelven progresivamente más delgadas y más parecidas a medida que se van acumulando desde el centro.

Quizás el hallazgo más sorprendente es que los moluscos mantienen la simetría de sus perlas ajustando el grosor de cada capa de nácar. Si una capa es más gruesa, la siguiente tiende a ser más delgada y viceversa. La perla que se muestra en el estudio contiene 2615 capas de nácar finamente combinadas, depositadas durante 548 días.

"Estas capas finas y suaves de nácar se parecen un poco a las sábanas, con materia orgánica en el medio", dijo Hovden. "Hay interacción entre cada capa, y suponemos que esa interacción es lo que permite que el sistema se corrija a medida que avanza".

El equipo también descubrió detalles sobre cómo funciona la interacción entre capas. Un análisis matemático de las capas de la perla muestra que siguen un fenómeno conocido como "ruido 1/f", donde se conectan una serie de eventos que parecen aleatorios, con cada nuevo evento influenciado por el anterior. Se ha demostrado que el ruido 1/f gobierna una amplia variedad de procesos naturales y provocados por el hombre, incluida la actividad sísmica, los mercados económicos, la electricidad, la física e incluso la música clásica.

"Cuando lanzas dados, por ejemplo, cada tirada es completamente independiente y desconectada de las demás tiradas. Pero el ruido 1/f es diferente en el sentido de que cada evento está vinculado", dijo Hovden. "No podemos predecirlo, pero podemos ver una estructura en el caos. Y dentro de esa estructura hay mecanismos complejos que permiten que las miles de capas de nácar de una perla se unan hacia el orden y la precisión".

El equipo descubrió que las perlas carecen de un verdadero orden de largo alcance, el tipo de simetría cuidadosamente planificada que mantiene consistentes los cientos de capas en los edificios de ladrillo. En cambio, las perlas exhiben un orden de rango medio, manteniendo la simetría en alrededor de 20 capas a la vez. Esto es suficiente para mantener la consistencia y la durabilidad sobre las miles de capas que forman una perla.

El equipo reunió sus observaciones estudiando las perlas Akoya "keshi", producidas por la ostra Pinctada imbricata fucata cerca de la costa este de Australia. Seleccionaron estas perlas en particular, que miden alrededor de 50 milímetros de diámetro, porque se forman naturalmente, a diferencia de las perlas cultivadas en cuentas, que tienen un centro artificial. Cada perla se cortó con una sierra de hilo de diamante en secciones de tres a cinco milímetros de diámetro, luego se pulió y se examinó con un microscopio electrónico.

Hovden dice que los hallazgos del estudio podrían ayudar a informar los materiales de próxima generación con una arquitectura a nanoescala en capas precisas.

"Cuando construimos algo como un edificio de ladrillos, podemos construir periódicamente a través de una cuidadosa planificación, medición y plantillas", dijo. "Los moluscos pueden lograr resultados similares en la nanoescala mediante el uso de una estrategia diferente. Por lo tanto, tenemos mucho que aprender de ellos, y ese conocimiento podría ayudarnos a fabricar materiales más fuertes y livianos en el futuro". + Explora más

El nuevo material imita la fuerza y ​​dureza de la madreperla