La nueva técnica óptica no destructiva revela la estructura del nácar, un biomineral iridiscente resistente

El nácar o nácar, que se encuentra en el abulón rojo y otros moluscos, es extremadamente resistente a las fracturas. Esa es una de las razones por las que los investigadores están interesados ​​en el material natural y por qué los científicos de UW-Madison querían encontrar un método para medir su espesor sin dañar el nácar. Crédito: Cortesía de Kats Lab / UW – Madison

La mayoría de la gente conoce el nácar, un biomineral iridiscente también llamado nácar, de botones, joyas, incrustaciones de instrumentos y otros adornos decorativos. Los científicos también han admirado y maravillado el nácar durante décadas, no solo por su belleza y propiedades ópticas, sino también por su excepcional dureza.

“Es uno de los biominerales naturales más estudiados”, dice Pupa Gilbert, profesora de física de la Universidad de Wisconsin-Madison que ha estudiado nácar durante más de una década. “Puede que no parezca gran cosa, solo un material decorativo brillante. Pero puede ser 3.000 veces más resistente a la fractura que la aragonita, el mineral del que está hecho. Ha despertado el interés de los científicos de materiales porque hacer que los materiales sean mejores que la suma de sus partes es extremadamente atractivo “.

Pupa Gilbert. Crédito: UW – Madison

Ahora, una nueva técnica óptica no destructiva desbloqueará aún más conocimientos sobre el nácar y, en el proceso, podría conducir a una nueva comprensión de la historia del clima. Gilbert, profesor de ingeniería eléctrica de UW-Madison, Mikhail Kats, sus estudiantes y colaboradores describieron la técnica, llamada tomografía de interferencia hiperespectral, hoy en la revista Proceedings of the National Academy of Sciences.

Gilbert ha aprendido cómo el nácar se forma, ordena y resiste la fractura y cómo su estructura en capas registra la temperatura a la que se formó. Esta estructura estratificada de nácar refleja la luz y genera diferentes colores según el grosor de la capa. Eso llevó a un interés en encontrar una forma de evaluar el grosor de las capas de nácar que no implique destruir la cáscara del molusco en la que se deposita.

En busca de ayuda para abordar ese desafío, Gilbert recurrió a Kats y al estudiante graduado Jad Salman, que son expertos en el estudio de los fenómenos ópticos.

Para el proyecto, Salman preparó 22 conchas frescas de abulón rojo para análisis óptico. Pero tomar espectros ópticos de nácar es más difícil de lo que parece.

“Si desea sondear este tipo de caparazón, que tiene una topografía curva, es muy difícil obtener un buen espectro con un espectrómetro convencional”, dice Salman.

Es por eso que el equipo recurrió a una tecnología más nueva, la fotografía hiperespectral, para obtener imágenes de todo el espectro del caparazón. Al principio, tomaron imágenes de las conchas en el socio de la industria Middleton Spectral Vision antes de adquirir su propia cámara hiperespectral.

Los investigadores de UW-Madison utilizaron una cámara hiperespectral como esta para registrar el espectro del nácar en la concha curva del abulón, un enfoque que no es posible con los espectrómetros tradicionales. Crédito: Cortesía de Kats Lab / UW – Madison.

“Es un espectrómetro de imágenes en el que cada píxel de la imagen proporciona un espectro completo”, dice Salman. “Cuando usamos la cámara en nuestra configuración, podemos extraer fácilmente datos espectrales confiables sobre la superficie grande e irregular de un proyectil en una sola toma”.

Además del abulón rojo, el equipo también tomó imágenes del nácar de otra especie, la concha de paua de Nueva Zelanda, también llamada abulón arcoíris. Luego, Salman utilizó un sofisticado software de modelado que desarrolló para determinar el grosor de las capas de nácar píxel por píxel utilizando los datos hiperespectrales.

El equipo está llamando a la combinación de técnicas tomografía de interferencia hiperespectral y anticipa que será aplicable para medir otras estructuras transparentes en capas que se encuentran en plantas, animales, muestras geológicas o materiales sintéticos.

Mikhail Kats, derecha, y Jad Salman. Crédito: UW – Madison

Para Gilbert, la nueva técnica reveló una sorpresa sobre el abulón rojo; mostró por primera vez que el grosor de las capas de nácar se adelgaza a medida que el molusco envejece. Debido a que este espesor registra la temperatura del agua de mar en la que se forma, el equipo cree que puede ser posible utilizar la técnica para analizar conchas de moluscos fósiles y aprender sobre climas pasados.

“Este proyecto consta de algunas partes diferentes, cada una de las cuales se comprende bastante bien”, dice Kats. “El poder de esta investigación es que aportamos toda esta experiencia experimental y teórica, y pudimos modelar no solo estructuras en capas diseñadas y con buen comportamiento, sino también estructuras biológicas desordenadas y desordenadas. Y pudimos obtener información útil de ella de una manera que un biólogo o paleoclimatólogo puede utilizar “.

Referencia: procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias.
DOI: 10.1073 / pnas.2023623118

Otros contribuyentes a la investigación de UW-Madison incluyen a Cayla Stifler, Alireza Shahsafi, Chang-Yu Sun, Michel Frising, Bryan Rubio-Perez, Yuzhe Xiao, Raymond Wambold, Zhaoning Yu y Daniel Bradley. Stephen Weibel, Christopher Draves y Gabor Kemeny de Middleton Spectral Vision también contribuyeron al estudio.

Esta investigación fue apoyada por subvenciones de la Oficina de Investigación Científica de la Fuerza Aérea (FA9550-18-1-0146), el Departamento de Energía (DE-FG02-07ER15899) y la Fundación Nacional de Ciencias (DMR-1603192).