عرق اللؤلؤ

يتكون عرق اللؤلؤ من صفائح سداسية الشكل، تُسمى أقراصًا، من الأراغونيت (أحد أشكال كربونات الكالسيوم ) بعرض 10-20 ميكرومتر وسماكة 0.5 ميكرومتر، مرتبة في طبقات متوازية متصلة . ^{[ 2 ]} يختلف شكل الأقراص باختلاف الأنواع؛ ففي جنس Pinna ، تكون الأقراص مستطيلة الشكل، ذات قطاعات متناظرة قابلة للذوبان بدرجات متفاوتة. وبغض النظر عن شكل الأقراص، فإن أصغر وحداتها عبارة عن حبيبات مستديرة غير منتظمة. ^{[ 3 ]} تفصل بين هذه الطبقات صفائح من مادة عضوية (أسطح فاصلة) تتكون من بوليمرات حيوية مرنة (مثل الكيتين ، واللوسترين، والبروتينات الشبيهة بالحرير ) .  

يظهر الصدف بألوان متقزحة لأن سمك صفائح الأراغونيت قريب من الطول الموجي للضوء المرئي. تتداخل هذه البنى تداخلاً بناءً وهدّاماً مع أطوال موجية مختلفة من الضوء عند زوايا رؤية مختلفة، مما يخلق ألواناً هيكلية .

يشير المحور البلوري c عموديًا تقريبًا على جدار الصدفة، لكن اتجاه المحاور الأخرى يختلف بين المجموعات. وقد تبين أن للصفائح المتجاورة اتجاهات مختلفة بشكل كبير للمحور c، وعادةً ما تكون عشوائية التوجه ضمن نطاق 20 درجة تقريبًا من الوضع الرأسي. ^{[ 4 ] [ 5 ]} في ذوات الصدفتين ورأسيات الأرجل، يشير المحور b في اتجاه نمو الصدفة، بينما في أحاديات الصفيحة، يكون المحور a هو المائل في هذا الاتجاه. ^{[ 6 ]}

يُضفي هذا المزيج من الصفائح الهشة والطبقات الرقيقة من البوليمرات الحيوية المرنة على المادة قوةً ومتانةً، حيث يبلغ معامل يونغ 70 جيجا باسكال وإجهاد الخضوع حوالي 70 ميجا باسكال (في الحالة الجافة). ^{[ 7 ]} ومن المرجح أن تعود القوة والمتانة أيضًا إلى التماسك الناتج عن ترتيب الصفائح الشبيه بالطوب، مما يمنع انتشار الشقوق العرضية. هذا التركيب، الذي يمتد على أطوال متعددة، يزيد من صلابته بشكل كبير ، مما يجعله قويًا تقريبًا مثل السيليكون . ^{[ 8 ]} ينتج عن السطح البيني بين المعدن والمادة العضوية تعزيزٌ لمتانة وقوة الطبقات العضوية البينية. ^{[ 9 ] [ 10 ] [ 11 ]} يؤثر تشابك طوب الصدف بشكل كبير على كلٍ من آلية التشوه وصلابته. ^{[ 12 ]} وقد استُخدمت اختبارات الشد والقص والضغط ، وتحليل ويبول ، والاختبار النانوي ، وتقنيات أخرى لدراسة الخصائص الميكانيكية للصدف. ^{[ 13 ]} طُوِّرت أيضًا طرق نظرية وحسابية لتفسير الملاحظات التجريبية للسلوك الميكانيكي للصدف. ^{[ 14 ] [ 15 ]} يكون الصدف أقوى تحت أحمال الضغط منه تحت أحمال الشد عندما تُطبَّق القوة بالتوازي أو بالتعامد مع الصفائح. ^{[ 13 ]} وباعتباره بنية موجهة، فإن الصدف شديد التباين، وبالتالي، فإن خصائصه الميكانيكية تعتمد أيضًا على الاتجاه. 

تُعزى الخصائص الميكانيكية للصدف إلى آليات تقوية متنوعة. فقوة الالتصاق اللازمة لفصل الطورين البروتيني والأراغونيتي عالية، مما يدل على وجود تفاعلات جزيئية بين المكونات. ^{[ 13 ]} في الهياكل الرقائقية ذات الطبقات الصلبة واللينة، وهو نظام نموذجي يُمكن تطبيقه لفهم الصدف، تكون طاقة الكسر وقوة الكسر أكبر من القيم المميزة للمادة الصلبة وحدها. ^{[ 15 ]} وعلى وجه التحديد، يُسهّل هذا الهيكل انحراف الشقوق، إذ يسهل على الشق الاستمرار في المصفوفة العضوية المرنة اللزجة بدلاً من الانتقال مباشرةً إلى صفيحة أراغونيت أخرى. ^{[ 13 ] [ 16 ]} وينتج عن ذلك تشوه الطور البروتيني المرن بحيث يُغير الشق اتجاهه ويتجنب الطور الخزفي الهش . ^{[ 13 ] [ 17 ]} واستنادًا إلى تجارب أُجريت على مواد اصطناعية شبيهة بالصدف ، يُفترض أن المصفوفة المرنة تحتاج إلى طاقة كسر أكبر من طاقة المرونة عند كسر الطور الصلب. ^{[ 17 ]} يُساهم انفصال الألياف ، الذي يحدث في مواد مركبة خزفية أخرى ، في هذه الظاهرة. ^{[ 16 ]} على عكس المركبات الاصطناعية التقليدية، يُشكّل الأراغونيت في الصدف جسورًا بين الصفائح الفردية، لذا لا يقتصر تماسك البنية على الالتصاق القوي بين الطور الخزفي والطور العضوي فحسب، بل يشمل أيضًا هذه الخصائص النانوية الرابطة. ^{[ 16 ] [ 13 ]} مع بدء التشوه اللدن، قد تنكسر الجسور المعدنية ، مُحدثةً نتوءات صغيرة تُزيد من خشونة سطح التلامس بين الأراغونيت والبروتين. ^{[ 13 ]} يُساعد الاحتكاك الإضافي الناتج عن هذه النتوءات المادة على مقاومة إجهادات القص. ^{[ 13 ]} في المركبات الشبيهة بالصدف، ثبت أيضًا أن الجسور المعدنية تُزيد من قوة الانحناء للمادة لأنها قادرة على نقل الإجهاد فيها. ^{[ 18 ]}يُعدّ تطوير مركبات اصطناعية تُظهر خصائص ميكانيكية مشابهة للصدف الطبيعي ذا أهمية بالغة للعلماء العاملين على تطوير مواد أقوى. ولتحقيق هذه النتائج، يستلهم الباحثون من الصدف الطبيعي ويستخدمون السيراميك والبوليمرات الاصطناعية لمحاكاة بنية " الطوب والملاط "، والجسور المعدنية، وغيرها من السمات الهرمية.

عند تجفيفها، تفقد عرق اللؤلؤ جزءًا كبيرًا من قوتها وتصبح مادة هشة، مثل الأراغونيت النقي. ^{[ 13 ]} كما تتأثر صلابة هذه المادة سلبًا بالتجفيف. ^{[ 13 ]} يعمل الماء كمُلدّن للمصفوفة العضوية، مما يُحسّن من متانتها ويُقلل من معامل القص الخاص بها. ^{[ 13 ]} كما يُقلل ترطيب طبقة البروتين من معامل يونغ الخاص بها ، وهو ما يُتوقع أن يُحسّن من طاقة الكسر وقوة المركب ذي الطبقات الصلبة واللينة المتناوبة. ^{[ 15 ]}

يؤثر التباين الإحصائي للصفائح سلبًا على الأداء الميكانيكي (الصلابة، والقوة، وامتصاص الطاقة) لأنه يُسرّع من تمركز التشوه. ^{[ 19 ]} ومع ذلك، يمكن تعويض الآثار السلبية للتباينات الإحصائية بوجود أسطح بينية ذات إجهاد كبير عند الفشل مصحوبًا بتصلب الإجهاد. ^{[ 19 ]} من ناحية أخرى، تزداد مقاومة الكسر للصدف مع التباينات الإحصائية المعتدلة، مما يُنشئ مناطق صلبة حيث يتم تثبيت الشق. ^{[ 20 ]} ولكن، تُولّد التباينات الإحصائية العالية مناطق ضعيفة للغاية تسمح للشق بالانتشار دون مقاومة تُذكر، مما يؤدي إلى انخفاض مقاومة الكسر. ^{[ 20 ]} وقد أظهرت الدراسات أن هذه العيوب الهيكلية الضعيفة تعمل كعيوب طوبولوجية مُبددة مقترنة بتشوه مرن. ^{[ 21 ]}

لا تزال آلية تكوّن الصدف غير واضحة تمامًا. وقد لوحظت هذه الآلية في صدفة بينا نوبيليس ، حيث تبدأ بتجمع جزيئات دقيقة (حوالي 50-80 نانومتر) داخل مادة طبيعية. تصطف هذه الجزيئات بطريقة تشبه الألياف، وتستمر في التكاثر. ^{[ 22 ]} وعندما يتجمع عدد كافٍ من الجزيئات، تتحد لتشكل المراحل الأولى من الصدف. ويخضع نمو الصدف لتنظيم مواد عضوية تحدد كيفية ووقت بدء وتطور بلورات الصدف. ^{[ 23 ]}

يُعتقد أن كل بلورة، التي يمكن اعتبارها "طوبة"، تنمو بسرعة لتصل إلى الارتفاع الكامل لطبقة الصدف. وتستمر في النمو حتى تلتقي بالطوب المحيط بها. ^{[ 6 ]} ينتج عن ذلك التراص السداسي المتراص المميز للصدف. ^{[ 6 ]} يمكن أن يبدأ نمو هذه الطوب بطرق مختلفة، مثل العناصر المتناثرة عشوائيًا داخل الطبقة العضوية، ^{[ 24 ]} أو الترتيبات المحددة جيدًا للبروتينات، ^{[ 2 ]} أو قد تتوسع من جسور معدنية قادمة من الطبقة السفلية. ^{[ 25 ] [ 26 ]}

ما يُميّز عرق اللؤلؤ عن الأراغونيت الليفي، وهو معدن مُشابه له في التكوين ولكنه هش، هو سرعة نموه في اتجاه مُحدد (عمودي تقريبًا على الصدفة). هذا النمو بطيء في عرق اللؤلؤ، ولكنه سريع في الأراغونيت الليفي. ^{[ 27 ]}

تناولت ورقة بحثية نُشرت عام ٢٠٢١ في مجلة Nature Physics دراسةً حول عرق اللؤلؤ من نوع Unio pictorum ، ولاحظت أن الطبقات الأولى من عرق اللؤلؤ التي وضعها الكائن الحي احتوت على عيوب حلزونية. وقد أدت هذه العيوب، التي امتدت حلزونيًا في اتجاهات متعاكسة، إلى تشوهات في المادة جذبتها نحو بعضها البعض مع تراكم الطبقات حتى اندمجت وألغت بعضها بعضًا. وتبين أن الطبقات اللاحقة من عرق اللؤلؤ كانت متجانسة ومنظمة في بنيتها. ^{[ ٢١ ] [ ٢٨ ]}

يُفرز الصدف من قِبَل الخلايا الظهارية في نسيج عباءة العديد من الرخويات. ويترسب الصدف باستمرار على السطح الداخلي للصدفة، مُشكِّلاً طبقة صدفية متقزحة الألوان ، تُعرف باسم أم اللؤلؤ . تعمل طبقات الصدف على تنعيم سطح الصدفة، وتُساعد في حماية الأنسجة الرخوة من الطفيليات والحطام الضار، وذلك بتغليفها في طبقات متتالية من الصدف، مُشكِّلةً إما لؤلؤة مُلتصقة بالسطح الداخلي للصدفة، أو لؤلؤة حرة داخل أنسجة العباءة. تُسمى هذه العملية بالتكيس ، وتستمر طوال حياة الرخويات.

يختلف شكل الصدف من مجموعة إلى أخرى. ففي ذوات الصدفتين ، تتكون طبقة الصدف من بلورات مفردة مرتبة بشكل سداسي متراص . أما في بطنيات الأقدام ، فتكون البلورات متوأمة ، وفي رأسيات الأرجل ، تكون بلورات أحادية شبه سداسية، وغالبًا ما تكون متوأمة. ^{[ 6 ]}