Vén màn bí mật về sự tròn trịa đáng kinh ngạc của ngọc trai. Khám phá này có thể truyền cảm hứng cho các vật liệu tối ưu hơn cho các tấm pin mặt trời và du hành vũ trụ.
Trong nhiều thế kỷ qua, các nhà nghiên cứu đã thắc mắc về việc làm thế nào những con hàu sinh ra những viên ngọc trai tròn hoàn hảo, đối xứng tuyệt đẹp chỉ từ các hạt cát hoặc các mảnh vụn có hình dạng bất định. Giờ đây, một nhóm nghiên cứu đã chỉ ra rằng hàu, con trai và các loài nhuyễn thể khác sử dụng một quy trình phức tạp để nuôi cấy đá quý tuân theo các quy tắc toán học được thấy trong tự nhiên.
Ngọc trai được sinh ra như nào?
Ngọc trai là gì?
Ngọc trai hay còn được mọi người biết đến với tên gọi là trân châu.
Ngọc trai là một loại đá quý duy nhất được tảo bởi một sinh vật còn sống. Nó được hình thành khi có một vật thể bên ngoài xâm nhập vào bên trong cơ thể của con trai hay con hàu. Con vật sẽ được phủ lên một lớp xà cừ. Theo thời gian thì lớp xà cừ sẽ dày lên và tạo thành ngọc trai.
Tính chất của ngọc trai
- Trọng lượng riêng: 2,60 – 2,85
- Chỉ số khúc xạ: 1,52 – 1,66
- Độ trong suốt: Mờ
- Công thức hóa học: CaCO3
- Thành phần: Canxi cacbonat
Ngọc trai có mấy màu cơ bản?
Ngọc trai sẽ có 13 màu cơ bản: Trắng, hồng, vàng, cam, bạc, kem, tím, vàng, nâu, xanh lá, xanh dương, đen.
Môi trường sống của ngọc trai?
Sẽ có 2 môi trường để ngọc trai sinh sống: ngọc trai nước ngọt và ngọt trai nước mặn
- Ngọc trai nước ngọt: đây là những loại ngọc trai sống trong các hồm sống và những nơi có nguồn nước ngọt. Phần lớn trên thế giới hiện nay, ngọc trai nước ngọt được sản xuất tại Trung Quốc.
- Ngọc trai nước mặn: được những con điệp, hàu hào sống xung quanh các vịnh biển tạo ra.
Ngọc trai được hình thành như thế nào?
Ngọc trai được hình thành khi một chất kích thích bị mắc kẹt bên trong động vật thân mềm và con vật tự bảo vệ mình bằng cách xây dựng các lớp khoáng chất và protein mịn – gọi chung là xà cừ – xung quanh nó. Theo một phân tích được công bố ngày 19 tháng 10 trên tạp chí Proceedings of the National Academy of Sciences, mỗi lớp xà cừ mới được xây dựng trên trung tâm không đối xứng này sẽ thích nghi chính xác với lớp trước nó, làm mịn những điểm bất thường để tạo ra một viên ngọc trai tròn.
Cái nôi sinh ra hạt ngọc trai là loài động vật nhuyễn thể như con sò, trai ngọc trên bờ biển và trai nước ngọt. Có rất nhiều người xuất hiện ý nghĩ như sau: trai, sò càng lớn thì hạt ngọc trai bên trong càng to.
Thực tế không phải như vậy. Chỉ có kí sinh trùng sống kí sinh hoặc có vật bên ngoài xâm nhập vào trong cơ thể con sò, trai thì mới có thể có ngọc. Thử tách một vỏ trai hoặc sò ra thì thấy tầng trong cùng của vỏ có ánh sáng rực rỡ nhất, nhấp nhánh màu sắc như hạt ngọc trai, đây gọi là “tầng trân châu”, nó là chất trân châu do màng ngoài tiết ra cấu thành. Khi kí sinh trùng chui vào vỏ sò, vỏ trai cứng, để bảo vệ thì màng ngoài của con sò, con trai sẽ nhanh chóng tiết ra chất trân châu bao quanh kí sinh trùng này, như vậy, thời gian lâu dần sẽ hình thành ra hạt ngọc trai.
Có lúc khi một số hạt cát rơi vào trong con sò, con trai làm cho chúng nhất thời không có cách nào đẩy nó ra được, sau khi chịu nhiều sự kích thích đau đớn thì chúng đã nhanh chóng từ màng ngoài tiết ra chất trân châu để dần dần bao vây lấy nó. Thời gian lâu dần, bên ngoài hạt cát được bao bọc bởi chất trân châu rất dày, và cũng đã biến thành một hạt ngọc trai tròn vo.
Loài động vật nhuyễn thể sản sinh ra hạt ngọc trai rất nhiều, có khoảng 20 – 30 loài. Hiện nay, người ta đã tổ chức nơi nuôi trồng nhân tạo ngọc trai, sau khi nuôi lớn, một số động vật nhuyễn thể (chủ yếu là trai ngọc), trong tổ chức kết đế màng ngoài cắm nhân vào vỏ trai, và trên nhân phủ một tấm màng ngoài nhỏ, qua một thời gian nhất định thì sẽ sinh ra hạt ngọc trai nhân tạo. Trong các khu vực duyên hải và hồ lục địa ở Trung Quốc đều dùng biện pháp này để nuôi trồng ngọc trai. Ngoài ra từ nuôi trồng hạt ngọc trai bình thường người ta đã phát triển nuôi trồng hạt ngọc trai màu và hạt ngọc trai hình tượng.
Sự phát triển đối xứng tròn trịa đáng kinh ngạc của Ngọc trai
Laura Otter, một nhà hóa sinh học tại Đại học Quốc gia Úc ở Canberra, cho biết: “Vỏ trai (xà cừ) là vật liệu vô cùng đẹp, óng ánh, sáng bóng mà chúng ta thấy ở bên trong một số vỏ sò hoặc bên ngoài của ngọc trai.
Otter và các đồng nghiệp của cô phát hiện ra rằng sự phát triển đối xứng của ngọc trai khi nó tạo ra các lớp xà cừ dựa vào việc cân bằng hai khả năng cơ bản của động vật thân mềm. Nó điều chỉnh quang sai phát triển xuất hiện khi ngọc trai hình thành, ngăn chặn những biến thể đó lan truyền qua nhiều lớp của ngọc trai. Nếu không, đá quý kết quả sẽ bị lệch.
Ngoài ra, nhuyễn thể điều chỉnh độ dày của các lớp xà cừ, do đó nếu một lớp đặc biệt dày, các lớp tiếp theo sẽ mỏng hơn theo phản ứng (SN: 3/24/14). Điều này giúp viên ngọc trai duy trì độ dày trung bình tương tự qua hàng nghìn lớp của nó để nó trông tròn và đồng nhất một cách hoàn hảo. Nếu không có sự điều chỉnh liên tục đó, một viên ngọc trai có thể giống với đá trầm tích phân tầng, khuếch đại những khuyết điểm nhỏ làm giảm hình dạng hình cầu của nó.
Các nhà nghiên cứu đã nghiên cứu ngọc trai keshi được thu thập từ trai ngọc Akoya (Pinctada imbricata fucata) tại một trang trại ngọc trai ven biển phía đông Australia. Họ sử dụng một chiếc cưa dây kim cương để cắt những viên ngọc trai thành các mặt cắt ngang, sau đó đánh bóng và kiểm tra các viên đá quý bằng phương pháp quang phổ Raman, một kỹ thuật không phá hủy cho phép họ mô tả cấu trúc của ngọc trai. Đối với một trong những viên ngọc trai được trưng bày trong bài báo, họ đếm được 2.615 lớp, được lắng đọng trong 548 ngày.
Phân tích cho thấy sự dao động về độ dày của các lớp xà cừ của ngọc trai thể hiện một hiện tượng gọi là nhiễu 1 / f, hay nhiễu hồng, trong đó các sự kiện có vẻ ngẫu nhiên thực sự được kết nối với nhau. Trong trường hợp này, sự hình thành các lớp xà cừ có độ dày khác nhau có thể xuất hiện ngẫu nhiên, nhưng thực sự phụ thuộc vào độ dày của các lớp trước đó. Hiện tượng tương tự cũng xảy ra trong hoạt động địa chấn: Tiếng ầm ầm của mặt đất có vẻ ngẫu nhiên, nhưng thực sự có liên quan đến hoạt động địa chấn gần đây trước đó. Đồng tác giả Robert Hovden, một nhà khoa học và kỹ sư vật liệu tại Đại học Michigan ở Ann Arbor, cho biết tiếng ồn màu hồng cũng xuất hiện trong nhạc cổ điển và ngay cả khi theo dõi nhịp tim và hoạt động của não. Những hiện tượng này “thuộc về một loại hành vi và vật lý phổ quát,” Hovden nói.
Đây là lần đầu tiên các nhà nghiên cứu báo cáo rằng “xà cừ tự phục hồi và khi phát sinh khuyết tật, nó sẽ tự chữa lành trong một vài [lớp] mà không cần sử dụng giàn giáo hoặc khuôn mẫu bên ngoài,” Pupa Gilbert, một nhà vật lý nghiên cứu quá trình khoáng hóa sinh học tại Đại học Wisconsin – Madison, người không tham gia vào nghiên cứu. “Xà cừ là một chất liệu thậm chí còn đáng chú ý hơn những gì chúng tôi đã đánh giá trước đây.”
Notes Otter: “Những sinh vật nhỏ bé này đang tạo ra một loại vật liệu siêu nhẹ và siêu dai dễ dàng hơn và tốt hơn nhiều so với tất cả công nghệ của chúng tôi.” Chỉ được làm từ canxi, cacbonat và protein, xà cừ “cứng hơn 3.000 lần so với các vật liệu được tạo ra từ đó”.
Hovden cho biết thêm, hiểu biết mới này về ngọc trai có thể truyền cảm hứng cho “thế hệ siêu vật liệu tiếp theo”, chẳng hạn như các tấm pin mặt trời tiết kiệm năng lượng hơn hoặc các vật liệu bền và chịu nhiệt được tối ưu hóa để sử dụng trong tàu vũ trụ.