人造珍珠母

■中國科學技術大學合成出人造珍珠母。以後珠寶店是否要特別標榜「天然」珍珠才賣得出去?

tanakawho@Flickr.com
tanakawho@Flickr.com,CC BY 2.0

撰文|方程毅

珍珠母(Nacre或稱Mother of Pearl),為珍珠外殼的成分,耀眼的光澤是其價值不斐的原因之一。歷代不乏喜好奇珍異寶的帝王,珍珠當然是他們搜括目標之一,相傳在晉代,有個太監為了保護獻給皇帝的珍珠,不惜切開自己大腿將其藏於體內,於是有了這麼一個「割股藏珠」的故事。珍珠母不僅中看也很中用,除了構成黝黑烏亮的珍珠,蚌殼內層也是由珍珠母構成,其堅硬的性質能夠保護柔軟的內部,讓軟體動物在嚴酷的自然環境下生存。珍珠母在自然界相當珍貴且特殊,其堅硬耐磨的性質也為工業界所需,位於合肥的中國科學技術大學俞書宏教授實驗室成功合成出人造珍珠母,並將結果發表在知名期刊《科學》(Science)上。

珍珠母主要成分為文石(aragonite),也就是碳酸鈣。文石會以層狀結構堆疊,而將文石分層的骨架則為β幾丁質(β-chitin)。在大自然中,軟體動物會先分泌不溶於水的β幾丁質使其生成層狀骨架,這些骨架被絲蛋白(silk fibroin)分開,接下來文石會在骨架各處形成成核點,並順著層狀骨架橫向生長,直到空隙被填塞完為止,也正是因為這種生成機制,讓珍珠母每一層都形成沃羅諾伊狀的微結構(Voronoi pattern)。珍珠母之所以堅硬卻有韌性也正是因為其為層狀,一層層的文石就像磚頭,β幾丁質有如水泥,形成類似磚牆的結構。

俞書宏教授實驗室製作的合成珍珠母其結構與天然形成的方法非常類似,先製作出幾丁質層狀骨架,再將碳酸氫鈣溶液利用幫浦灌進層狀結構中,碳酸氫鈣溶液中同時含有聚丙烯酸(polyacrylic acid)及鎂離子,讓碳酸氫鈣轉變成碳酸鈣,最後將絲蛋白灌入後加熱加壓兩星期便能生成人造珍珠母(詳細過程請見Science期刊提供的影片)。影片第9秒處可以清楚看到構成珍珠母的層狀結構。

根據分析實驗室合成珍珠母的微結構幾乎與天然的珍珠母相同。除了文石碳酸鈣層狀結構外,每一層文石的水平面都會形成沃羅諾伊狀的幾何圖形(如影片48-52秒處),這是因為碳酸鈣會在骨架各處成核且成長,當他們越長越大便會互相接觸以填滿空隙。沃羅諾伊狀幾何圖形的品質決定材料強度,天然珍珠母會形成相當完美且緊密的結構,缺陷較少;但人造合成會形成較多缺陷,形狀也相對不規則,因此人造珍珠母的強度也比天然的弱(但其仍舊是強度很強的材料)。不僅如此人造珍珠母因為厚度較厚也不具有天然光澤,所以想要做成人造「珍珠」拿去珠寶店魚目混珠還有很長的一段路要走。

在大自然裡,要形成珍珠母須至少數月甚至數年之久,但俞書宏教授發明的合成方法只需要兩星期即可完成,對於蒐集珍珠的收藏家來說,這可能不是什麼大新聞,但是工業實用面需要用到又強又硬的材料,合成珍珠母便成為選項之一。

 

原始論文:Mao, Li-Bo, et al. "Synthetic nacre by predesigned matrix-directed mineralization."  Science (2016): aaf8991.

參考資料:A new way to make synthetic mother-of-pearl

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作者:方程毅 科教中心特約寫手,從事科普文章寫作

 

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