Muslinger og konkylier giver indsigt i, hvordan kompositter med fantastiske egenskaber kan konstrueres.
Artiklen har været bragt i Dansk Kemi nr. 6/7, 2011 og kan læses uden illustrationer, strukturer og ligninger herunder. Se relaterede artikler nederst på siden.
Af Carsten Christophersen
Interessen for biomaterialer er eksploderet pga. deres enestående mekaniske og fysiske kvaliteter. Kompositter – dannet af en organisk matrix og en uorganisk fase, tjener som inspiration og model ved udviklingen af syntetiske materialer med banebrydende egenskaber. Den industrielle udnyttelse er allerede anselig og vokser eksponentielt. Eftersøgningen af spændende materialer har især været succesfuld blandt marine bløddyr. Siden der kendes over 100.000 arter alene af bløddyr er potentialet for studier af nye interessante materialer enormt.
Perler i tynde lag
Perlemor, mother of pearl, Perlmutter eller nacre er et iridiserende kompositmateriale dannet af CaCO3 og en organisk matrix. Det changerer med stærke klare farver pga. lysets interferens mellem de tynde lag kompositter. Det er materialet, som perler er gjort af, og det findes på indersiden af skallen hos mange muslinger.
Opbygningen er især undersøgt for abalone. Matricen er en blanding af polysaccharidet kitin og protein. Den består af en syreopløselig del, og en del der er uopløselig i vandig EDTA. Den opløselige fase katalyserer dannelsen af flade – 500 nm tykke krystaller af aragonit med en diameter på 5-10 μm. De passer som fod i hose i den uopløselige matrix, der i en mængde på omkring 3,5 vægt% fungerer som mørtel.
Lave koncentrationer (0,02 μg/mL) af den opløselige del katalyserer krystallisationen af calciumcarbonat. Men høje koncentrationer (1 μg/mL) hæmmer den selv i superovermættede opløsninger som 10 mM CaCO3. På denne måde kan muslingen kontrollere opbygningen af laget af perlemor.
Perlemuslinger
Perlemuslingen Pinctada fucata, som i virkeligheden er en østers, udtrykker et protein Pif, som spaltes enzymatisk i to proteiner Pif80 og Pif79. De holdes sammen af en disulfidbro. Proteinerne danner med andre proteiner, bl.a. N16/pearlin, der inducerer dannelsen af aragonit, det såkaldte Pif-kompleks. Pif80 bindes til aragonit og Pif79 til kitin. Proteinerne er rige på aminosyren asparaginsyre, og binder calciumioner. Komplekset bundet til kitin i den uopløselige matrix lægger som en murer stenene (aragonitkrystaller) fuldstændigt regelmæssigt på plads i bygningsværket.
Stærke, selvreparerende huse
Konkylier har ikke perlemor, men indersiden af skallen er smuk porcelænsagtig. Sneglehuset er uforholdsmæssigt stærkt, sammenlignet med de komponenter det består af. Det er endda selvreparerende. Hvis der dannes en revne, reorganiserer matrix og mineral sig og lukker bruddet. Mineralet er aragonit. Aragonits styrke er 1000 gange højere end almindeligt kalks, dvs. svarende til støbejerns. Krystallerne er meget små, 60-130 nm tykke og 100-380 nm brede, men kan være adskillige mikrometer lange. Skallen er opbygget af krydsende lag af krystaller. De er for små til at knække, og små revner heles ved, at bestanddelene ”flyder” sammen igen. Alene forståelsen af dette enkle koncept ventes at føre til helt nye typer af kompositter.
Aragonit og kalcit
Aragonit har sit navn fra den spanske by Aragon og danner korallers skelet. Kalcit, som også kaldes kalkspat, er den stabile krystalform for CaCO3. Det findes i skeletter af utallige marine dyr og planter. Der kendes yderligere en krystalform af CaCO3 – ikait, den er ustabil over 6°C og findes i Ikkafjorden i Grønland, hvor den danner høje søjler på havbunden.
Kilder
An Acidic Matrix Protein, Pif, Is a Key Macromolecule for Nacre Formation M. Suzuki, K. Saruwatari, T. Kogura, Y. Yamamoto, T. Nishimura, T. Kato og H. Nagasawa. Science 2009, Bind 325, Side 1388-1390.
The conch shell as a model for tougher composites. D. Williamson og B. Proud. International Journalof Engineering Research and Innovation 2011, Bind 2, 149-164.
Influence of the Insoluble and Soluble Matrix of Abalone Nacre on the Growth of Calcium Carbonate Crystals. K. Gries, F. Heinemann, M. Gummich, A. Ziegler, A. Rosenauer og M. Fritz. Crystal Growth & Design 2011, Bind 11, 729-734.
Biological Materials of Marine Origin – Invertebrates. H. Ehrlich. Springer 2010. ISBN 978-90-481-9129-1. 569 sider.
Perlemor på indersiden af en abaloneskal changerer i mange farver og er mekanisk stærkere end den porcelænslignende inderside af konkylier.
Foto: Carsten Christophersen, 2011.
Den store konkylieskal bruges som musikinstrument eller signalhorn i mange kulturer.
Foto: Carsten Christophersen, 2011.
Indersiden af Murex-arter, de snegle thyrensk purpur blev fremstillet af, er ofte skinnende og smukt farvede.
Foto: Carsten Christophersen, 2011.
