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- 진주는 각각 두께가 약 10~20나노미터인 수천 개의 진주모 층(나전 螺鈿)으로 구성
- 한 층에 부풀어 오르는 부분이 있으면 그 지점에서 다음 층은 더 얇다.
- 진주의 나전은 모든 수준에서 규칙성과 질서를 보여주는 실제 수정보다는 덜 질서 정연해
- 진주의 자개 층이 시간이 지남에 따라 점점 더 균질해지는 것을 발견

진주는 정확한 ‘교대 근무’로 만들어진다.
새로운 층의 진주모(나전)는 이전 층의 두께를 보완한다.

반짝이는 정밀도:
조개는 아름다울 뿐만 아니라 매우 강하고 균일한 모양의 진주를 생산한다.
최근 한 연구는 어떻게 보석 진주의 나노 구조가 만들어지고 수천 개의 층에서 대칭을 유지하는지 보여준다. 이에 따르면 새로운 진부모 층은 항상 이전 위치의 부정확성을 보완한다. 층 형성은 특정 수학적 패턴을 따른다. 

▲ 진주는 여러 층의 자개로 구성되며 무엇보다도 굴에서 형성된다. © IGraDesign / 게티 이미지

진주는 수 세기 동안 보석으로 존경받고 거래되었다.
진주는 그들의 아름다운 광택과 완벽하고 둥근 모양에으로 사람들을 매료시킨다. 보석 애호가 외에도 일부 과학자들은 특별한 분야에 끌린다. 특히, 엄청난 저항과 정확한 형상이 연구의 초점이다.

기본적으로 진주는 각각 두께가 약 10~20나노미터인 수천 개의 진주모(이매패류(二枚貝類)의 조개 껍질의 광택이 나는 최내층(最內層), 나전(螺鈿))로 구성된다.
따라서 진주의 안정성과 모양은 다양한 층의 상호작용에 따라 달라진다. 이는 벽돌 층으로 만들어진 건물과 유사하다. 벽돌의 높이는 고정되어 있지만, 개별 자개 층의 두께는 다양하다.

▲ 층 형성은 특정 수학적 패턴을 따른다. 자개 구조가 보존된 특징적인 빛 반사가 있는 사라토프(쥐라)의 Quenstedtoceras. Author : Dr. René Hoffmann

연구는 진주모 형성 중간 시기의 배열을 조사했다.

수석 저자인 미시간 대학의 로버트 호브덴(Robert Hovden)은 “진주가 어떻게 이 어수선한 상태에서 놀라울 정도로 대칭적인 구조로 진화하는지 관찰함으로써 우리가 배울 수 있는 것이 여전히 많다”고 말했다. 그와 팀은 이제 나노 수준 또는 전자 현미경에서 진주의 구조를 자세히 분석했다.

이를 위해 연구원들은 호주 아코야(Akoya) 굴에서 생산되는 소위 케쉬(Keshi) 진주를 조사했다. 크기는 약 50mm로 양식 진주와 달리 천연 핵을 가지고 있어 가장 안쪽 층의 구조를 분석할 수 있다는 장점이 있다.

▲ 그림 1. P.i.에서 생산된 비구슬 양식 Akoya "keshi" 진주의 형성 후카타 연체 동물. (A) 진주층 정제 층에서 빛과 보강 간섭의 상호 작용으로 인해 무지개 빛깔을 나타내는 구슬로 장식되지 않은 케시 양식 진주의 광학적 개요. (B) CaCO3 성장을 보여주는 단면이 유기 중심에서 시작된다. (C) 성숙한 진주층(B의 보라색 상자)은 두께와 경계면 곡률이 정렬된 상태를 보여준다. (D 및 E) 성숙한 진주층의 원자 분해능 ADF-STEM 및 고결정 진주층 및 아라고나이트와 일치하는 격자 상수를 나타내는 해당 푸리에 변환. (F) 구형 아라고나이트 구조에서 진주층으로의 전이를 보여주는 진주 중앙의 단면 후방 산란 SEM(B의 노란색 상자). (G 및 H) 응집된 나노입자(관찰 시)는 거대하고 구조적으로 불분명한 아라고나이트 구조를 형성한다. (I) 진주층의 형성은 거대하고 구조적으로 불분명한 아라고나이트에서 직접 시작된다. (출처:관련논문 The mesoscale order of nacreous pearls, PNAS)

조사의 초점은 개별 층 중기(中期)의 순서였다.
과학자들은 새로운 층이 시작되기 전에 진주모 두께를 측정하고 반복되는 패턴이나 더 높은 수준의 구조를 찾았다. 연구팀은 "개별 판의 원자 구조와 관련된 다른 작업이 있지만 우리는 다음으로 더 큰 규모로 배열을 조사하고 싶었다"고 말했다.

층이 서로 수정

조사 결과 조개는 과도한 규칙성은 없으나 약 20겹의 진주모 층에서 대칭성을 유지하고 있음을 알 수 있다. 과학자들은 개별 이상값이 다음에 형성되는 층으로 보상된다는 것을 관찰할 수 있었다. 한 층에 부풀어 오르는 부분이 있으면 그 지점에서 다음 층은 더 얇다.

Hovden은 "개별 층 사이에 상호작용이 있으며 이를 통해 시스템이 장기적으로 자체 수정될 수 있다고 믿는다"고 말했다. 따라서 진주의 나전은 모든 수준에서 규칙성과 질서를 보여주는 실제 수정보다 덜 질서 정연하다. 진주는 대부분의 준결정보다 더 질서 정연하다. 따라서 균일성은 크리스탈과 준결정 사이의 범위에 있다.

▲ 그림 2. 진주층의 중간 규모 주기성 정량화. (A) 진주층 성장의 초기, 중간 및 성숙 단계의 단면 후방 산란 SEM은 계면 곡률 및 정제 두께의 감소된 변화를 통해 정렬을 보여준다. BSE-SEM으로 촬영한 진주층(왼쪽)의 푸리에 변환(오른쪽)은 각도 확장이 ±15°에서 ±5°로 감소함을 보여준다. (B) 진주층의 쌍-상관 함수는 주어진 수의 단위 셀 떨어져 있는 정제를 찾을 확률. 후기 진주층의 봉우리가 날카로워지면 장거리 주문이 증가함을 나타낸다. (C) 가장 가까운 이웃과 정제의 두께의 상관 관계는 음의 상관 관계를 보여준다. 한 정제가 두꺼우면 다음 정제는 얇아지는 경향이 있다. (D) 실제 paracrystalline 모델에 의해 기술된 진주층의 누적 장애, 진주층에는 수정과 paracrystal 모델 사이의 질서가 있음을 보여준다. (출처:관련논문 Fig 2)

수학 법칙

흥미로운 점은 진주에서 나전 층의 성장과 두께가 과학자들이 발견한 수학적 현상을 따른다는 것이다. 이러한 소위 "1/f-노이즈"는 지진 활동 및 전기적으로 생성된 음악 중에도 발생한다. 이 현상에서 겉보기에는 독립적으로 보이는 사건들이 더 큰 규모의 연결을 보여준다.

“예측할 수는 없지만, 혼돈 속에서 어떤 구조가 보인다. 이러한 내부에서 복잡한 메커니즘이 발생해 진주가 수천 겹의 자개를 정확한 순서로 모을 수 있도록 한다”고 Hovden은 설명했다. 연구원들에 따르면, 규칙성은 아마도 달의 주기나 계절과 같은 반복되는 환경적 영향과 관련이 있을 것이다.

▲ 그림 3. 진주층의 위상 결함. (A) 진주층의 위상 결함(나사 전위)의 개략도. (B) 결함을 보여주는 45도 기울어진 후방 산란 전자 현미경. (C) 슬립 평면에 수직인 회로도의 단면(A의 파란색 화살표 방향을 따라). (D 및 E) 위상 결함으로 인해 생성된 여분의 정제와 인접 층에 연결된 미네랄 브리지를 보여주는 ADF-STEM. (F 및 G) 결함 지점에서 두께의 급격한 변화를 보여주는 추가 정제의 두께 맵. (H) 슬립 평면을 따른 개략도의 단면(A의 빨간색 화살표 방향을 따라). (I 및 J) 결함에 의해 분할된 추가 유기 계면을 보여주는 ADF-STEM. (K 및 L) 결함 지점에서 두께의 급격한 변화를 보여주는 추가 유기 계면의 두께 맵.(출처: 관련논문 The mesoscale order of nacreous pearls, PNAS)

시간이 지남에 따라 층이 더 정확해진다.

과학자들은 또한 진주의 자개 층이 시간이 지남에 따라 점점 더 균질해지는 것을 발견했다. 진주 중앙에 있는 층, 즉 처음 100~200개의 층은 여전히 ​​두께가 크게 다르지만, 나중의 층은 두께가 거의 일정하며 약 30% 더 얇다.

연구 결과는 홍합 모델을 기반으로 한 신소재 개발에 도움이 될 것이다.
Hovden은 "우리의 모든 기술로 우리 인간은 진주와 같은 복잡한 나노 구조를 가진 것을 아직 생산할 수 없다"며 "그래서 우리는 미래에 훨씬 더 강하고 가벼운 재료를 설계할 수 있도록 연체동물로부터 여전히 배울 것이 많다"고 말했다.
(Proceedings of the National Academy of Sciences, 2021; https://doi.org/10.1073/pnas. 2107477118)
출처: University of Michigan

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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