密歇根大学材料科学与工程助理教授、论文作者罗伯特霍夫登(Robert Hovden)说：“我们人类，以我们所有的技术，都无法制造出像具有纳米结构的珍珠那样复杂的东西。”“所以我们可以通过研究珍珠如何从无序的虚无变成这种非常对称的结构来学到很多东西。”这项分析是由澳大利亚国立大学、劳伦斯伯克利国家实验室、西挪威大学和康奈尔大学的研究人员合作完成的。

该研究发表于《国家科学院院刊》年，发现珍珠的对称性随着其构造越来越精确，回答了几个世纪以来其中心的无序如何变得完美的问题。珍珠质是一种彩虹色、极其耐用的有机-无机复合材料，也构成牡蛎和其他软体动物的外壳，构建在有机中心周围的文石碎片上。这些层占珍珠体积的90%以上，随着从中心向外堆积，这些层会逐渐变薄，匹配更加紧密。

也许最令人惊讶的发现是，软体动物通过调整每个珍珠层的厚度来保持珍珠的对称性。如果一层较厚，下一层往往较薄，反之亦然。这项研究中描绘的珍珠包含2615层精心搭配的珍珠层，这些珍珠层已经沉积了超过548天。“这些薄而光滑的珍珠层看起来有点像中间有有机物的床单，”Hovden说。“每一层之间都有交互作用，我们假设这种交互作用使系统能够在它进行的同时纠正它。”

该小组还发现了关于各层之间如何相互作用的详细信息。对珍珠层的数学分析表明，它们遵循一种被称为“1/f噪声”的现象，在这种现象中，一系列看似随机的事件相互关联，每个新事件都受到前一个事件的影响。1/f噪声已经被证明可以控制各种自然和人为的过程，包括地震活动、经济市场、电力、物理甚至古典音乐。

“例如，当你掷骰子时，每一次掷骰子都是完全独立的，与每一次掷骰子都是分开的。但是1/f噪声是不同的，因为每个事件都是相互关联的，”Hovden说。“我们无法预测它，但我们可以在混乱中看到一个结构。在这种结构中，它是一种复杂的机制，能够使成千上万层珍珠按照有序而精确的方向融合。”

研究小组发现，珍珠缺乏真正的长程有序，这种精心策划的对称性使砖房中的数百层保持一致。相反，珍珠显示出适度的有序范围，每次保持大约20层的对称。这足以在构成珍珠的数千层中保持一致性和耐久性。

该团队通过研究澳大利亚东海岸附近的珠母贝生产的Akoya“史克”珍珠来收集他们的观察结果。他们选择了这些直径约50毫米的特殊珍珠，因为它们是自然形成的，而不是人工中心的养殖珍珠。用金刚石线锯将每颗珍珠切割成直径为3至5毫米的部分，然后抛光并在电子显微镜下检查。

Hovden表示，这项研究的发现可能有助于为下一代具有精确分层纳米结构的材料提供信息。“当我们建造像砖房这样的东西时，我们可以通过仔细的规划、测量和模板来定期建造，”他说。“软体动物可以通过使用不同的策略在纳米尺度上实现类似的结果。所以我们有很多东西要向他们学习，这些知识可以帮助我们在未来制造更强更轻的材料。”