真珠層

真珠層は、幅10～20μm、厚さ0.5μmのアラゴナイト（炭酸カルシウムの一種）の六角形の板状結晶（タブレットと呼ばれる）が連続した平行な層状に配列して構成されている。^{[ 2 ]}種によってタブレットの形状は異なり、Pinna属ではタブレットは長方形で、対称的なセクターが多かれ少なかれ溶解している。タブレットの形状に関わらず、それらに含まれる最小単位は不規則な丸い顆粒である。^{[ 3 ]}これらの層は、弾性バイオポリマー（キチン、ルストリン、絹のようなタンパク質など）で構成される有機マトリックス（界面）のシートによって分離されている。  

真珠層が虹色に輝くのは、アラゴナイトの薄片の厚さが可視光の波長に近いためです。これらの構造は、異なる波長の光と異なる角度で干渉し合い、構造色を生み出します。

結晶学的c軸は殻壁にほぼ垂直な方向を向いているが、他の軸の方向はグループによって異なる。隣接する板状体はc軸の向きが劇的に異なり、一般的に垂直方向から約20°以内でランダムに配向していることが示されている。^{[ 4 ] [ 5 ]} 二枚貝類と頭足類ではb軸が殻の成長方向を向いているが、単板類ではa軸がこの方向に傾いている。^{[ 6 ]}

脆い血小板と弾性バイオポリマーの薄い層が混ざり合うことで、この材料は強度と弾力性を持ち、ヤング率は 70 GPa、降伏応力は約 70 MPa (乾燥時) です。^{[ 7 ]}強度と弾力性は、血小板の「レンガ積み」状の配置による接着によってももたらされ、横方向の亀裂の伝播が抑制されます。複数の長さサイズにわたるこの構造は、靭性を大幅に向上させ、シリコンとほぼ同等の強度になります。^{[ 8 ]}鉱物と有機物の界面により、有機中間層の弾力性と強度が向上します。^{[ 9 ] [ 10 ] [ 11 ]}真珠層のレンガの相互接続は、変形機構と靭性の両方に大きな影響を与えます。^{[ 12 ]}引張試験、せん断試験、圧縮試験、ワイブル分析、ナノインデンテーション、その他の技術が、真珠層の機械的特性を調べるために使用されています。^{[ 13 ]}真珠層の機械的挙動の実験的観察を説明するために、理論的および計算的手法も開発されている。^{[ 14 ] [ 15 ]}真珠層は、力が板状組織に平行または垂直に加わる場合、引張荷重よりも圧縮荷重に対して強い。[ 13 ]配向^{構造として、}真珠層は非常に異方性があり、そのため、その機械的特性も方向に依存する。 

真珠層の機械的挙動には、さまざまな強化機構が関与している。タンパク質相とアラゴナイト相を分離するために必要な接着力は高く、これは構成要素間に分子レベルの相互作用があることを示している。 ^{[ 13 ]}硬質層と軟質層からなる積層構造は、真珠層を理解するために適用できるモデルシステムであり、破壊エネルギーと破壊強度は、硬質材料のみに特徴的な値よりも大きい。^{[ 15 ]}具体的には、この構造は亀裂の偏向を促進する。亀裂が粘弾性があり柔軟な有機マトリックスに続く方が、別のアラゴナイト薄片にまっすぐ進むよりも容易だからである。^{[ 13 ] [ 16 ]}これにより、延性のあるタンパク質相が変形し、亀裂の方向が変わって脆いセラミック相を回避される。^{[ 13 ] [ 17 ]}真珠層のような合成材料で行われた実験に基づいて、柔軟なマトリックスは、硬質相の破壊時の弾性エネルギーよりも大きな破壊エネルギーを持つ必要があると仮説が立てられている。^{[ 17 ]} 他のセラミック複合材料で発生する繊維の引き抜きも、この現象の一因となっている。^{[ 16 ]}従来の合成複合材料とは異なり、真珠層のアラゴナイトは個々のタブレット間に橋を形成するため、構造はセラミック相と有機相の強い接着だけでなく、これらの連結ナノスケールの特徴によっても保持されている。^{[ 16 ] [ 13 ]}塑性変形が始まると、鉱物の橋が壊れて、アラゴナイトとタンパク質の界面を粗くする小さな突起が生成される可能性がある。^{[ 13 ]}突起によって発生する追加の摩擦は、材料がせん断応力に耐えるのに役立つ。^{[ 13 ]}真珠層のような複合材料では、鉱物の橋は材料内の応力を伝達できるため、材料の曲げ強度を高めることも示されている。 ^{[ 18 ]}真珠層と同様の機械的特性を示す合成複合材料の開発は、より強度のある材料の開発に取り組む科学者にとって重要な課題である。こうした効果を実現するために、研究者たちは真珠層から着想を得て、合成セラミックスやポリマーを用いて、「レンガとモルタル」構造、鉱物架橋、その他の階層構造を模倣している。

脱水すると、真珠層はその強度の多くを失い、純粋なアラゴナイトのように脆い材料として作用します。^{[ 13 ]}この材料の硬度も脱水によって悪影響を受けます。^{[ 13 ]}水は有機マトリックスの可塑剤として作用し、その靭性を向上させ、せん断弾性率を低下させます。 ^{[ 13 ]}タンパク質層を水和するとヤング率も低下し、硬質層と軟質層が交互に並んだ複合材料の破壊エネルギーと強度が向上すると予想されます。^{[ 15 ]}

血小板の統計的変動は、変形の局所化を引き起こすため、機械的性能（剛性、強度、エネルギー吸収）に悪影響を及ぼします。^{[ 19 ]}しかし、統計的変動の悪影響は、破壊時に大きなひずみを伴う界面とひずみ硬化によって相殺される可能性があります。^{[ 19 ]}一方、適度な統計的変動によって、亀裂が固定される強靭な領域が生成され、真珠層の破壊靭性は増加します。 ^{[ 20 ]}しかし、統計的変動が大きいと、亀裂がほとんど抵抗なく伝播する非常に弱い領域が生成され、破壊靭性が低下します。^{[ 20 ]}研究では、この弱い構造欠陥は、弾性歪みと結合した散逸トポロジー欠陥として作用することが示されています。^{[ 21 ]}

真珠層の形成過程は完全には解明されていません。Pinna nobilisでは、天然物質内部で小さな粒子 (約 50～80 nm) が集まって形成が始まります。これらの粒子は繊維のように並び、増殖を続けます。^{[ 22 ]}粒子が十分に集まると、それらが集まって真珠層の初期段階を形成します。真珠層の成長は、真珠層結晶がどのように、いつ始まり、発達するかを決定する有機物質によって制御されます。^{[ 23 ]}

それぞれの結晶は「レンガ」と考えることができ、真珠層の高さに合うように急速に成長すると考えられています。それらは周囲のレンガにぶつかるまで成長を続けます。^{[ 6 ]}これにより、真珠層の特徴である六方最密充填構造が生まれます。^{[ 6 ]}これらのレンガの成長は、有機層内のランダムに散らばった要素^{[ 24 ]} 、タンパク質の明確な配列^{[ 2 ]}、または下の層から来る鉱物ブリッジから拡大するなど、さまざまな方法で開始される可能性があります。^{[ 25 ] [ 26 ]}

真珠層と、同様に形成されるが脆い鉱物である繊維状アラゴナイトとの違いは、特定の方向（貝殻にほぼ垂直な方向）に成長する速度にある。真珠層の成長は遅いが、繊維状アラゴナイトの成長は速い。^{[ 27 ]}

2021年にNature Physicsに掲載された論文では、 Unio pictorumの真珠層を調べ、いずれの場合も生物によって形成された真珠層の最初の層には螺旋状の欠陥が含まれていることを指摘した。反対方向に螺旋状に巻かれた欠陥は、層が積み重なるにつれて互いに引き寄せ合うような歪みを材料に生み出し、最終的に融合して互いに打ち消し合った。後の真珠層は均一で秩序だった構造であることがわかった。^{[ 21 ] [ 28 ]}

真珠層は、様々な軟体動物の外套膜組織の上皮細胞によって分泌されます。真珠層は貝殻の内面に継続的に沈着し、虹色に輝く真珠層（一般に真珠母貝として知られる）を形成します。真珠層の層は貝殻の表面を滑らかにし、軟組織を寄生虫や有害な破片から守る役割を果たします。これらの破片は真珠層の層に包み込まれ、貝殻の内側に付着した真珠（ブリスターパール）または外套膜組織内に遊離した真珠を形成します。この過程は包埋と呼ばれ、軟体動物が生きている限り続きます。

真珠層の形状はグループによって異なる。二枚貝では、真珠層は六方最密充填の単結晶で構成されている。腹足類では結晶は双晶であり、頭足類では擬六方晶単結晶であり、しばしば双晶である。^{[ 6 ]}