В новом исследовании, опубликованном в журнале Nature Physics, ученые из B CUBE — Центра молекулярной биоинженерии в Техническом университете в Дрездене и Европейского центра синхротронного излучения (ESRF) в Гренобле впервые описывают, как структурные дефекты при самосборке перламутра притягивают и нейтрализуют друг друга. В конечном итоге это приводит к идеальной периодической структуре.
Моллюски строят раковины, чтобы защитить свои мягкие ткани от хищников. Перламутр, который морские организмы используют для строительства, имеет сложную и очень правильную структуру. Это делает его невероятно прочным материалом. В зависимости от вида перламутры могут достигать десятков сантиметров в длину. Независимо от размера каждый перламутр состоит из материалов, отложенных множеством отдельных ячеек в нескольких разных местах одновременно. Как именно эта высокопериодическая и однородная структура возникает из начального беспорядка, было неизвестно до сих пор.
Исследователи из группы Злотникова в сотрудничестве с Европейской лабораторией синхротронного излучения (ESRF) в Гренобле очень подробно рассмотрели внутреннюю структуру раннего и зрелого перламутра. Используя голографическую рентгеновскую нанотомографию на основе синхротрона, они смогли зафиксировать рост перламутра с течением времени. «Перламутр — это чрезвычайно тонкая структура с с органическими элементами размером менее 50 нм. Линия луча ID16A на ESRF предоставила нам беспрецедентную возможность визуализировать перламутр в трех измерениях, — объясняет доктор наук Игорь Злотников, руководитель исследовательской группы B CUBE. — Сочетание электронно-плотных и высокопериодических неорганических тромбоцитов с тонкими и тонкими органическими поверхностями делает перламутр сложной структурой для изображения. Криогенная визуализация помогла нам получить необходимую разрешающую способность».
Анализ данных был довольно сложной задачей. Исследователи разработали алгоритм сегментации с использованием нейронных сетей и обучили его разделять разные слои перламутра. Таким образом они смогли проследить, что происходит со структурными дефектами по мере роста перламутра.
Поведение структурных дефектов в растущем перламутре было неожиданным. Дефекты противоположного направления винта притягивались друг к другу с огромных расстояний. Правосторонние и левосторонние дефекты перемещались по структуре, пока не встретились, и нейтрализовали друг друга. Эти события привели к синхронизации по всей ткани. Со временем это позволило структуре развиться в совершенно правильную и бездефектную .
Периодические структуры, похожие на перламутр, создаются многими разными видами животных. Исследователи считают, что недавно открытый механизм мог управлять не только образованием перламутра, но и других биогенных структур.
Читать далее
Посмотрите, как появилась Луна. Древняя планета врезалась в Землю
Археологи нашли в Крыму древнее захоронение. На месте был «билет» в загробный мир