三角帆蚌貝殼珍珠層動(dòng)態(tài)微結(jié)構(gòu)及其特異的虹彩效應(yīng)

邵惠萍，吳靜怡，羅建英，汪鑫燕，嚴(yán) 俊,2*

（1.浙江方圓檢測(cè)集團(tuán)股份有限公司，浙江杭州310013；2.浙江工業(yè)大學(xué)溫州科學(xué)技術(shù)研究院，浙江溫州325024）

三角帆蚌貝殼，作為淡水育珠蚌之一，其培育的珍珠成珠周期較短，在我國(guó)安徽、浙江、湖南、江西等地被廣泛應(yīng)用于珍珠養(yǎng)殖的育珠母蚌。同時(shí)，與海水育珠母蚌有別的是，在同一顆三角帆蚌的母蚌中，所培育的珍珠顏色可同時(shí)出現(xiàn)白色、粉色與紫色等多色系珍珠共生。更為有趣的是，三角帆蚌貝殼腹側(cè)內(nèi)表面不同區(qū)域的虹彩有無(wú)、顏色與強(qiáng)弱都存在相異性。直至目前，有關(guān)貝殼珍珠層虹彩效應(yīng)的研究工作多是基于海水類貝殼，且已被研究報(bào)道的貝殼的整個(gè)內(nèi)表面出現(xiàn)色彩與強(qiáng)弱都較為一致的虹彩效應(yīng)[1-4]，然而，對(duì)淡水類貝殼的虹彩特征的研究報(bào)道較為少見。

鑒于三角帆蚌貝殼特異的力學(xué)與光學(xué)性質(zhì)[5-10]，近年來(lái)研究人員借助掃描電鏡（SEM）與反射光譜（Reflection spectra）等就三角帆蚌珍珠層表面的虹彩及其形成機(jī)制進(jìn)行了初步的探究[11-12]，并初步將珍珠層內(nèi)表面上的虹彩歸因于一維的光子帶隙結(jié)構(gòu)所致[11]。該工作中，通過掃描電鏡首次就三角帆蚌貝殼珍珠層在三維結(jié)構(gòu)方向上動(dòng)態(tài)的微結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行了較系統(tǒng)的觀察，并針對(duì)三角帆蚌珍珠層內(nèi)表面呈現(xiàn)的虹彩成因機(jī)制提出了新的解釋。本研究工作為探究生物貝殼的形成及其中珍珠層的礦化形成過程提供新的指示意義，并為人工仿生合成制備特異的光學(xué)與力學(xué)性能新材料提供嶄新的設(shè)計(jì)思路。

1 樣品與實(shí)驗(yàn)方法

1.1 樣品來(lái)源

新鮮三角帆蚌貝殼（蚌齡4～5年）于2016年6月采自浙江諸暨某珍珠養(yǎng)殖基地。貝殼在除去表面污垢后經(jīng)清水沖刷數(shù)次后被剖開，經(jīng)不銹鋼刀除去內(nèi)部的軟組織后再經(jīng)去離子水沖洗數(shù)次，經(jīng)機(jī)械破碎，取表面虹彩效應(yīng)各異的典型區(qū)域碎片若干，置于去離子水中超聲清洗5 min,室溫下自然晾干，備用。

1.2 掃描電鏡測(cè)試

貝殼珍珠層表面與斷面微結(jié)構(gòu)采用掃描電鏡觀察，電鏡型號(hào)Hitachi FE-SEM S-4700，加速電壓15 kV，樣品表面經(jīng)鍍金處理。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 三角帆蚌貝殼內(nèi)表面特異的虹彩效應(yīng)

三角帆蚌貝殼內(nèi)表面的光學(xué)照片如圖1所示。據(jù)查閱，前人所報(bào)道的貝殼虹彩多呈現(xiàn)于貝殼的整個(gè)內(nèi)表面，且整個(gè)表面呈現(xiàn)的虹彩顏色與強(qiáng)度都較為一致[1-2,4]。有趣的是，從圖1可見三角帆蚌貝殼的生長(zhǎng)前端（見圖片1中樣品左側(cè)區(qū)域1所示）呈現(xiàn)清晰、生動(dòng)、絢麗的虹彩現(xiàn)象，且在該區(qū)域中，珍珠層表面主體的顏色為粉色與紫色，同時(shí)伴有較弱的黃綠色色調(diào)。但在內(nèi)表面區(qū)域2中則出現(xiàn)較弱的虹彩效應(yīng)，區(qū)域3中卻未見有明顯的虹彩，就上述三角帆蚌的同一瓣貝殼內(nèi)表面上呈現(xiàn)各異的虹彩效應(yīng)僅見張偉剛等對(duì)其進(jìn)行初步的研究[11]。

圖1 三角帆蚌貝殼內(nèi)表面無(wú)虹彩C區(qū)、弱虹彩B區(qū)與強(qiáng)虹彩A區(qū)的光學(xué)照片

研究表明，貝殼表面的虹彩產(chǎn)生主要源于其表面的微結(jié)構(gòu)，如珍珠層表面特殊的光學(xué)效應(yīng)[1,3]。此外，珍珠層中有機(jī)質(zhì)與致色金屬離子對(duì)珍珠層的虹彩亦有一定的影響，但限于珍珠層的虹彩源于結(jié)構(gòu)，且有機(jī)質(zhì)與致色金屬離子主要影響物體的體色而非結(jié)構(gòu)色。因此，推斷三角帆蚌內(nèi)表面與近內(nèi)表面下珍珠層的微觀結(jié)構(gòu)形貌應(yīng)是導(dǎo)致珍珠層內(nèi)表面特異的虹彩特征的直接原因。

2.2 貝殼珍珠層微結(jié)構(gòu)特征分析

為進(jìn)一步驗(yàn)證上述推斷，結(jié)合不同區(qū)域的虹彩特征，需對(duì)貝殼的斷面與內(nèi)表面的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。分別對(duì)呈現(xiàn)不同虹彩特征的三個(gè)典型區(qū)域下珍珠層中文石板片及珍珠層表面的顯微形貌進(jìn)行顯微掃描電鏡觀察。

2.2.1 不同虹彩特征區(qū)域處的珍珠層斷面的微結(jié)構(gòu)形貌

分別就上圖1中A區(qū)的1處、B區(qū)的2處及C區(qū)的3處靠近珍珠層表面與靠近貝殼棱柱層一側(cè)處的文石板片予以對(duì)比觀察，如圖2所示。圖2a～d、圖2e～h、圖2i～l分別為1區(qū)、2區(qū)與3區(qū)的珍珠層中靠近內(nèi)表面端與靠近棱柱層端的文石板片結(jié)構(gòu)的形貌，以上3處表面下方由近及遠(yuǎn)的結(jié)構(gòu)中皆具有典型的珍珠層（nacreous layer）、棱柱層（prismatic layer）及最外層褐色的角質(zhì)層（periostracum layer）。其中，珍珠層中，文石板片與有機(jī)質(zhì)周期性構(gòu)建成磚墻結(jié)構(gòu)[13-15]，且整個(gè)珍珠層的體積占據(jù)整個(gè)貝殼體積約80%。在棱柱層中，長(zhǎng)約150～300 μm、直徑約15～20 μm 的棱柱與珍珠層中的文石板片層呈現(xiàn)近垂直交接。

圖2 具有不同虹彩特征的珍珠層表面下的斷面結(jié)構(gòu)的SEM照片。

基于不同虹彩特征區(qū)域中珍珠層微結(jié)構(gòu)的電鏡觀察，結(jié)合電鏡測(cè)試軟件中的度量與CorelDraw圖片處理軟件中的度量工具，可知圖1中1，2，3這三個(gè)典型區(qū)域下珍珠層斷面不同位置處單一的文石板片厚度，如表1所示。

表1 典型區(qū)域下方珍珠層斷面距離珍珠層內(nèi)表面不同位置中單一文石板片的厚度

由表1中可知，在圖1中3處典型位置，垂直于珍珠層內(nèi)表面方向上，靠近內(nèi)表面區(qū)域單一的文石板片厚度相比于靠近棱柱層一側(cè)單一文石板片的薄。上述珍珠層中單一文石板片厚度的動(dòng)態(tài)變化特征首次被發(fā)現(xiàn)，且該單一的文石板片厚度的動(dòng)態(tài)變化特征與筆者前期就淡水無(wú)核珍珠的珍珠層中單一文石板片的厚度在珍珠徑向方向上的漸薄特征存在一致性[14]。珍珠層中單一的文石板片厚度的漸變特征及與棱柱層垂直交接，該構(gòu)型特征與珍珠層優(yōu)異的力學(xué)性能存在關(guān)聯(lián)有待驗(yàn)證。同時(shí)，極有必要指出，正因貝殼珍珠層中單一的文石板片的厚度大小與其所處的位置有關(guān)，研究人員對(duì)成年的三角帆蚌貝殼珍珠層中單一的文石板片厚度大小描述多為500 nm[5]，但在本工作中所觀察到的珍珠層中單一文石板片的厚度最薄與最厚區(qū)域分別約為248 nm 與1 024 nm。因此，就貝殼珍珠層中單一文石板片厚度的定性描述必需指明其在珍珠層中所處的位置。

與此同時(shí)，在平行于貝殼內(nèi)表面方向上，對(duì)比圖1中3個(gè)典型區(qū)域中距離珍珠層內(nèi)表面的同一高度區(qū)域，珍珠層文石板片的厚度大小同樣存在動(dòng)態(tài)的變化特征，上述不同區(qū)域珍珠層中單一文石板片的厚度與張偉剛等[11]就三角帆蚌貝殼珍珠層的表述一致。本工作中，進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，在距離珍珠層內(nèi)表面的同一高度處，整個(gè)貝殼厚度越厚的區(qū)域，所對(duì)應(yīng)區(qū)域中的珍珠層中單一文石板片較貝殼整體厚度薄的區(qū)域中單一文石板片更厚。

2.2.2 具有不同虹彩特征的珍珠層區(qū)域表面微結(jié)構(gòu)

分別對(duì)三角帆蚌貝殼內(nèi)表面上強(qiáng)虹彩的A 區(qū)（圖3a～c）與弱虹彩B 區(qū)（圖3d～f）進(jìn)行顯微結(jié)構(gòu)觀察，可見不論具有強(qiáng)虹彩與弱虹彩的珍珠層表面上皆可見前人所報(bào)道的精細(xì)的疊瓦狀結(jié)構(gòu)或二維的反射光柵結(jié)構(gòu)[1]，其中兩相鄰的疊瓦狀結(jié)構(gòu)層的邊緣間距約為3～30 μm。

圖3 不同虹彩特征區(qū)域珍珠層表面的微結(jié)構(gòu)特征。

對(duì)比以上珍珠層表面強(qiáng)弱虹彩區(qū)域的顯微結(jié)構(gòu)，兩者區(qū)域的表面光柵結(jié)構(gòu)形貌及疏密程度類似，可見兩區(qū)域虹彩存在強(qiáng)弱不完全依靠表面的光柵的疏密程度，但結(jié)論與前人論述有一定的差異[1]。為進(jìn)一步驗(yàn)證虹彩是否主要源于表面的光柵結(jié)構(gòu)，即因結(jié)構(gòu)致色所致，利用電鏡測(cè)試前處理技術(shù)就1與2區(qū)珍珠層內(nèi)表面進(jìn)行鍍金處理，該鍍金處理不改變珍珠層表面的形貌信息，基于此可以進(jìn)一步推測(cè)，若珍珠層表面的虹彩由表面微結(jié)構(gòu)決定，珍珠層在經(jīng)鍍金處理后其表面的虹彩仍然存在，但與事實(shí)觀察不符。因此，珍珠層的表面光柵結(jié)構(gòu)并非珍珠層呈現(xiàn)虹彩特征的主要因素。

與此同時(shí)，首次發(fā)現(xiàn)三角帆蚌貝殼珍珠層的表面，在同一平面上，成熟的文石板片與未成熟板片水平交互鋪墊，如圖3d,e所示?？梢姡闯墒斓奈氖迤诖怪狈较蛏弦啻嬖诏B加礦化堆積，見圖3c與圖3f，上述三角帆蚌貝殼珍珠層礦化的中間形態(tài)未見文獻(xiàn)報(bào)道，現(xiàn)有文獻(xiàn)主要聚焦在成熟板片的文石晶體結(jié)構(gòu)的論述[6,11]。珍珠層文石板片在有機(jī)質(zhì)參與調(diào)控礦化的過程中，其過渡形態(tài)的特點(diǎn)同樣在海水翡翠貽貝珍珠層中被發(fā)現(xiàn)[10]，類于上述珍珠層文石板片形成的中間形態(tài)特征可為珍珠層礦化形成機(jī)理的解釋提供重要依據(jù)。

此外，就上述典型虹彩區(qū)域微結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步觀察發(fā)現(xiàn)，三個(gè)典型區(qū)域都可見成熟板片與未成熟板片均同時(shí)較分散地存在于珍珠層表面，如圖4所示。進(jìn)一步分別就上述表面未成熟板片的特征進(jìn)行放大觀察。相比之下，1與2 區(qū)域中上下兩層未成熟板片形貌特征基本一致，如圖4a,b所示。但在同一放大倍率下，典型區(qū)域3的珍珠層表面未見眾多較分散的未成熟板片，該區(qū)中未成熟的板片排列平鋪較為規(guī)則，且最上層未成熟板片較多出現(xiàn)交聯(lián)拼接，僅在每層臺(tái)階的邊緣出現(xiàn)相互獨(dú)立的未成熟的板片，如圖4c與d所示。

圖4 不同虹彩區(qū)域表面未成熟板片結(jié)構(gòu)形貌特征。1 強(qiáng)虹彩；2 弱虹彩；3 無(wú)虹彩

綜上所述，三角帆蚌貝殼珍珠層內(nèi)表面的虹彩形成機(jī)制應(yīng)主要源于其表面珍珠層中多層的層狀文石板片微結(jié)構(gòu)，且單一的文石板片的厚度直接決定能否形成其表面的虹彩色，而并非源于前人所述的珍珠層表面的二維光柵引起的衍射。相關(guān)的顏色形成及呈現(xiàn)的具體顏色波長(zhǎng)有待進(jìn)一步理論解析。

3 結(jié) 論

利用FE-SEM 對(duì)三角帆蚌貝殼珍珠層的內(nèi)表面中具有不同虹彩特征區(qū)域的表面及斷面微結(jié)構(gòu)、特別是斷面珍珠層中單一文石板片的厚度進(jìn)行了較系統(tǒng)的對(duì)比研究。一般地，在垂直貝殼內(nèi)表面方向上，靠近貝殼白色內(nèi)表面的珍珠層中單一文石板片的厚度薄于靠近棱柱層一側(cè)的珍珠層文石板片的厚度，因此，單一地描述某類貝殼的珍珠層中文石板片的厚度大小尚欠精準(zhǔn)。在貝殼內(nèi)表面，隨著近內(nèi)表面下單一文石板片厚度的增加，內(nèi)表面珍珠層所呈現(xiàn)的虹彩色逐漸消褪，可見靠近貝殼內(nèi)表面一側(cè)中單一的珍珠層文石板片的厚度是導(dǎo)致珍珠層內(nèi)表面不同區(qū)域虹彩現(xiàn)象迥異的直接原因。同時(shí)，三角帆蚌貝殼珍珠層表面上未成熟的文石板片重疊復(fù)生，珍珠層同一水平面上存在成熟與未成熟的文石板片共生。有關(guān)珍珠層的虹彩源自表面的衍射光柵理論有待進(jìn)一步商榷，而珍珠層文石板片與有機(jī)質(zhì)交互疊加對(duì)光產(chǎn)生的影響機(jī)制及如何產(chǎn)生虹彩及虹彩色的理論分析有待進(jìn)一步研究。本課題研究為探究珍珠層的礦化形成過程提供了新的指示意義，并為仿生制備新型光學(xué)及力學(xué)材料提供了新的設(shè)計(jì)思路與合成模板。