光学成像技术揭开珍珠的秘密

几个世纪以来，珍珠母贝（也称为珍珠母）一直被用作珠宝盒、精致纽扣等贵重物品的装饰元素。这种材料一般存在于一些软体动物的壳中，因其绚丽夺目的色彩、坚硬无比的强度而备受珍视。

然而，现有的检测方法需要切割样本来进行分析，因此珍珠母贝结构的检测仍然存在一些困难。如今，美国威斯康星大学麦迪逊分校的研究人员发明了一种新的全光学成像技术，能够实现无损检测珍珠母贝和其他层状生物材料的结构（文章见：美国科学院院报， doi: 10.1073/ PNAS .2023623118）。

图1 珍珠母贝具有极强的抗断裂能力，因此研究人员一直在试图寻找一种无损测量其厚度的技术

活生生的历史记录

Pupa Gilbert是威斯康星大学麦迪逊分校的物理学教授，她在十余年的时间中，一直在研究珍珠母贝的结构及其可能的形成机制。此前，Gilbert发现，如同树木年轮般一层层形成的古代珍珠母贝，准确记录了当地海洋的温度：2亿年前的化石样本表明，较厚珍珠母贝层对应较暖的年份。

此类实验需要对每层壳层的横截面进行检测，并用扫描电子显微镜观察各层。这种方法会破坏样品，且由于不同区域的珍珠层通常不均匀，因此很难对大面积的珍珠母贝进行检测。

无损光学成像

在一次研讨会上，Gilbert询问威斯康辛大学麦迪逊分校电子计算机工程副教授Mikhail Kats，是否能够发明一种不会损坏样品的全光学成像技术。为此，Kats及其同事开发了高光谱干涉断层扫描技术（hyperspectral interference tomography, HIT）——一种快速、以非破坏性的方式检测珍珠母贝空间结构的成像技术。

“此项技术基于高光谱成像，图像上的每个像素都包含可见和近红外的全反射光谱，”Kats说。“首先对贝壳进行角度、偏振相关的高光谱测量，然后将结果映射到计算模型中，预测可能的珍珠母贝结构反射光谱。”

从光学角度来看，珍珠母贝可以看作是一种无序、有缺陷的薄膜的堆叠，因此研究人员采用了薄膜建模与Monte Carlo技术相结合的无序模型。借助HIT技术，研究人员发现了此前未发现的软体动物年龄与构成珍珠母贝的文石片厚度之间的关系：与年龄大的鲍鱼相比，年龄小的鲍鱼形成的文石片更厚。

未来的应用

总的来说，与现有的技术相比，HIT在层状生物材料的结构表征方面具有以下几个主要优势：除了不造成损伤外，这种技术非常快速、成本低、便携。Kats及其同事们期待能与Gilbert一起，对珍珠母贝进行更多的研究，以期为气候变化史提供更全面的资料。他们还认为，对其结构的进一步研究将启发韧性更强材料的研究。

“长期以来，珍珠母贝一直是力学研究的焦点，因为它比自身的主要成分——文石，具有更强的抗断裂特性。”Kats说，“因此，进一步了解珍珠母贝的形成及其物理特性是非常重要的。”

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