形成软体动物贝壳珍珠的前体矿物相：对水合样品的研究

《Advanced Functional Materials》：Precursor Mineral Phases of Forming Mollusk Shell Nacre: A Study of Hydrated Samples

珍珠母贝贝层形成过程中，早期形成的未结晶相（ACC）与结晶霞石共存，通过ESEM和cryo-SEM在湿润条件下观察到椭圆晶体向六边形结晶的演化，保持约2的轴比。腐蚀坑揭示结晶结构，纳米通道可能参与物质运输。保持湿润至关重要，脱水会诱导伪结晶。

　　在自然界中，贝类的珍珠层（nacre）是一种极具研究价值的生物矿物材料。它不仅具有优异的机械性能，还展现了复杂的微观结构，这使其成为材料科学、生物学和矿物学等多个领域的研究热点。本文通过使用环境扫描电子显微镜（ESEM）和冷冻扫描电子显微镜（cryo-SEM）等先进技术，对生活在实验室环境中的双壳纲贝类 *Brachidontis pharaonis* 的珍珠层形成过程进行了深入观察，揭示了其在湿润条件下的生长机制和内部结构特征。研究不仅深化了我们对珍珠层如何从无序的前驱相逐步转化为有序的单晶结构的理解，还提供了关于其形成过程中有机与无机成分相互作用的新线索。

珍珠层是贝类壳体中最具特色的结构之一，其主要由层状排列的霰石（aragonite）晶体组成。这些晶体以扁平的片状结构存在，厚度通常在微米级别，而横向尺寸则可达几十微米。这种结构赋予了珍珠层极高的硬度和韧性，使其在自然界中成为一种非常特殊的生物材料。然而，珍珠层的形成过程长期以来被认为是复杂的，涉及多个阶段的矿物沉积、晶体生长以及有机基质的调控作用。许多早期的研究主要依赖于干燥或嵌入样本的观察手段，这可能导致对实际形成过程的误解，因为干燥条件可能改变了原始的结构和成分分布。

本文的研究方法采用了一种新的视角，即在接近生理条件的湿润环境下进行观察。通过直接从活体贝类中采集样本，并在实验过程中保持其湿润状态，研究人员得以更真实地反映珍珠层在生长过程中的自然状态。这种湿润条件下的观察不仅避免了因干燥导致的结构失真，还为理解珍珠层的形成机制提供了更为准确的数据。研究中使用了ESEM和cryo-SEM技术，这两种方法能够在高湿度和低温条件下保持样本的完整性和稳定性，从而捕捉到珍珠层形成过程中细微的变化。

在ESEM的观察下，研究人员发现珍珠层的形成过程中，初始阶段的晶体并非立即呈现出清晰的晶面结构，而是以椭球形的形态存在于有机凝胶中。这些椭球形的晶体具有近似2的长宽比，这一特征在最终形成的霰石晶体中依然保持。这一现象表明，即使在初始阶段，这些晶体已经开始形成有序的结构，但尚未完全结晶化。此外，观察到的椭球形晶体表面存在不规则的边缘，且内部含有液体或有机物质，进一步支持了其处于一种介于无序和有序之间的过渡状态。

在对这些椭球形晶体进行蚀刻处理后，研究人员在ESEM下观察到了两种不同类型的蚀刻坑：一种是规则的三角形蚀刻坑，另一种是不规则的圆形蚀刻坑。三角形蚀刻坑通常出现在结晶度较高的区域，表明这些区域已经形成了稳定的晶面结构；而圆形蚀刻坑则可能源于无定形矿物相的存在，这些无定形区域在蚀刻过程中无法形成清晰的晶面。这种蚀刻坑的分布特征为研究提供了重要的证据，表明珍珠层的形成过程中，无定形钙碳酸盐（ACC）和霰石晶体同时存在，且在不同阶段中表现出不同的结构特征。

进一步的冷冻扫描电子显微镜（cryo-SEM）研究则揭示了珍珠层晶体内部的分层结构。通过高压力冷冻和断裂处理，研究人员能够在保持样本湿润的前提下，获得纳米级别的分辨率。观察结果显示，每个晶体内部由7至9层不同的亚层组成，这些亚层的厚度在10至20纳米之间，并且被薄层的有机物质分隔。这种分层结构可能是晶体生长过程中不同阶段的体现，例如在无定形相向有序相转变的过程中，有机基质可能起到了调控晶体生长方向和速率的作用。

值得注意的是，这些亚层中还包含一些球形颗粒，它们的尺寸在20至100纳米之间，并且在ESEM图像中表现出较高的电子密度。这些颗粒被认为是含有水分的无定形钙碳酸盐的前驱相，随着晶体的生长和结晶化，它们逐渐失去水分并缩小体积。这一过程可能涉及到有机基质与无机成分之间的动态相互作用，即无定形相在一定条件下逐渐转化为有序的晶体结构。此外，研究人员还观察到了晶体内部的通道结构，这些通道被膜状结构包围，可能在晶体生长过程中起到物质运输或结构调控的作用。

通过对这些结构的详细分析，研究者提出了一个关于珍珠层形成机制的新模型。在初始阶段，无定形钙碳酸盐可能以胶状或液态形式存在于有机基质中，随后逐渐聚集并形成初步的晶体结构。这些初步的晶体被称为“新生霰石”，它们在形态上尚未完全结晶，但已经具备了霰石的晶体结构特征。随着晶体的进一步生长，新生霰石逐渐转化为完全结晶的霰石晶体，最终形成稳定的层状结构。这一过程可能受到有机基质中特定分子的调控，例如酸性大分子或某些具有组织作用的蛋白质，它们可能在晶体生长过程中起到诱导和稳定的作用。

研究还指出，如果在干燥条件下进行观察，珍珠层的结构会呈现出明显的差异。干燥的样本中，晶体的形态变得更加规则，呈现出典型的六边形结构，而原本的椭球形晶体则完全消失。这表明干燥条件可能加速了晶体的结晶过程，导致原本存在于湿润环境下的无定形相和新生相被“固定”为完全结晶的形态。因此，许多过去关于珍珠层形成的研究可能低估了无定形相在其中所扮演的重要角色，因为干燥环境下的观察可能掩盖了这些关键的中间阶段。

为了进一步验证这些观察结果，研究者还进行了蚀刻实验，以模拟珍珠层在自然条件下的溶解过程。实验结果显示，蚀刻后的样本中，晶体的表面呈现出不同的蚀刻坑形态，这与晶体的结晶程度密切相关。规则的三角形蚀刻坑表明晶体已经具有较高的结晶度，而不规则的圆形蚀刻坑则可能对应于无定形相的存在。这一结果与前文提到的晶体生长机制相吻合，即在不同阶段，晶体可能同时包含无定形和有序的成分，这种混合状态是珍珠层形成过程中不可或缺的一部分。

研究还提到，某些贝类的珍珠层中存在另一种称为“钙碳酸盐半水合物”（calcium carbonate hemihydrate）的晶体相，这可能是晶体生长过程中的一种中间过渡相。然而，这一相的存在可能与实验处理过程有关，因此需要谨慎对待其在自然条件下的实际意义。此外，研究者还观察到，在某些情况下，晶体表面的蚀刻坑可能呈现出“心形”结构，这被认为是霰石晶体孪晶形成的早期迹象。孪晶现象在自然界中并不罕见，它可能与晶体生长过程中特定的应力条件或有机调控因素有关。

在实验方法上，研究者采用了多种技术手段，以确保观察结果的准确性。例如，在ESEM和cryo-SEM中，研究人员能够保持样本的湿润状态，从而避免因干燥而导致的结构变化。同时，他们还使用了傅里叶变换红外光谱（FTIR）来确认珍珠层的矿物组成，结果显示其主要由霰石构成，而没有检测到方解石的存在。这一结果进一步支持了珍珠层形成过程中无定形相向霰石晶体转变的理论。

此外，研究者还通过统计分析对晶体的长宽比进行了量化研究。他们测量了多个样本中晶体的尺寸，并发现其长宽比在生长过程中始终保持在接近2的范围内。这一特征可能与霰石晶体的生长速率有关，因为霰石晶体在不同方向上的生长速度存在差异。这种生长速率的差异可能是由于晶体结构本身的特性，例如某些晶面具有较低的附着能，从而在生长过程中优先扩展。

总的来说，本文的研究为理解珍珠层的形成机制提供了新的视角。通过在湿润条件下对贝类珍珠层的观察，研究者揭示了其形成过程中无定形相与有序相共存的现象，并进一步探讨了这些相之间的相互作用和转化机制。这些发现不仅有助于我们更深入地了解珍珠层的生物矿化过程，还可能为合成类似结构的材料提供重要的理论依据。未来的研究可以进一步探索这些无定形相在不同贝类中的分布规律，以及它们在控制晶体生长方向和速率中的具体作用，从而为生物矿物材料的研究开辟新的方向。