Nácar

El nácar ( / ˈneɪkər / NAY -kər , también / ˈnækrə / NAK -rə ) , ^[1] también conocido como madreperla , es un material compuesto orgánico- inorgánico producido por algunos moluscos como capa interna de la concha . También es el material del que se componen las perlas . Es fuerte, resistente e iridiscente .

El nácar se encuentra en algunos de los linajes más antiguos de bivalvos , gasterópodos y cefalópodos . Sin embargo, la capa interna de la gran mayoría de las conchas de moluscos es porcelánica , no nacarada, y esto suele dar lugar a un brillo no iridiscente o, más raramente, a una iridiscencia no nacarada, como la estructura en llamas que se encuentra en las perlas de caracol .

La capa exterior de las perlas cultivadas y la capa interior de las conchas de las ostras perleras y de los mejillones perlíferos de agua dulce están hechas de nácar. Otras familias de moluscos que tienen una capa interior de concha nacarada incluyen gasterópodos marinos como los haliotidae , los tróquidos y los turbínidos .

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Dientes, escamas, colmillos, etc. Dientes de lapa Otolito membrana otolítica Microfósiles a escala Colmillo
Calcificación carbonato de calcio amorfo calcificación biogénica marina nanofósiles calcáreos Aragonito Arena de aragonito oolítico mar de aragonito Calcita precipitación microbiana de calcita mar de calcita Gran Cinturón de Calcita
Silicificación sílice biogénica exudado silíceo tierra de diatomeas
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El nácar está compuesto por plaquetas hexagonales de aragonito (una forma de carbonato de calcio ) de 10-20  μm de ancho y 0,5 μm de espesor dispuestas en una lámina paralela continua. ^[2] Dependiendo de la especie, la forma de las tabletas difiere; en Pinna , las tabletas son rectangulares, con sectores simétricos más o menos solubles. Cualquiera que sea la forma de las tabletas, las unidades más pequeñas que contienen son gránulos redondeados irregulares. ^[3] Estas capas están separadas por láminas de matriz orgánica (interfaces) compuestas de biopolímeros elásticos (como quitina , lustrina y proteínas similares a la seda ).

El nácar parece iridiscente porque el grosor de las plaquetas de aragonito es cercano a la longitud de onda de la luz visible . Estas estructuras interfieren de manera constructiva y destructiva con diferentes longitudes de onda de la luz en diferentes ángulos de visión, creando colores estructurales .

El eje c cristalográfico apunta aproximadamente perpendicular a la pared de la concha, pero la dirección de los otros ejes varía entre los grupos. Se ha demostrado que las tabletas adyacentes tienen una orientación del eje c drásticamente diferente, generalmente orientadas aleatoriamente dentro de ~20° de la vertical. ^{[4] [5]} En los bivalvos y cefalópodos, el eje b apunta en la dirección del crecimiento de la concha, mientras que en los monoplacóforos es el eje a el que está inclinado de esta manera. ^[6]

Esta mezcla de plaquetas frágiles y capas delgadas de biopolímeros elásticos hace que el material sea fuerte y resistente, con un módulo de Young de 70  GPa y un límite elástico de aproximadamente 70 MPa (cuando está seco). ^[7] También es probable que la resistencia y la resiliencia se deban a la adhesión por la disposición de "ladrillo" de las plaquetas, que inhibe la propagación de grietas transversales. Esta estructura, que abarca múltiples tamaños de longitud, aumenta en gran medida su tenacidad , lo que la hace casi tan fuerte como el silicio . ^[8] La interfaz mineral-orgánica da como resultado una mayor resiliencia y resistencia de las capas intermedias orgánicas. ^{[9] [10] [11]} El entrelazado de ladrillos de nácar tiene un gran impacto tanto en el mecanismo de deformación como en su tenacidad. ^{[12] Se han utilizado pruebas} de tracción , cizallamiento y compresión, análisis de Weibull , nanoindentación y otras técnicas para investigar las propiedades mecánicas del nácar. ^[13] También se han desarrollado métodos teóricos y computacionales para explicar las observaciones experimentales del comportamiento mecánico del nácar. ^{[14] [15]} El nácar es más fuerte bajo cargas de compresión que de tracción cuando la fuerza se aplica paralela o perpendicular a las plaquetas. ^[13] Como estructura orientada, el nácar es altamente anisotrópico y, como tal, sus propiedades mecánicas también dependen de la dirección.

Una variedad de mecanismos de endurecimiento son responsables del comportamiento mecánico del nácar. La fuerza adhesiva necesaria para separar las fases proteínica y aragonita es alta, lo que indica que hay interacciones moleculares entre los componentes. ^[13] En estructuras laminadas con capas duras y blandas, un sistema modelo que se puede aplicar para comprender el nácar, la energía de fractura y la resistencia a la fractura son mayores que los valores característicos del material duro únicamente. ^[15] Específicamente, esta estructura facilita la deflexión de la grieta, ya que es más fácil que la grieta continúe en la matriz orgánica viscoelástica y flexible que ir directamente a otra plaqueta de aragonito. ^{[13] [16]} Esto da como resultado que la fase proteínica dúctil se deforme de tal manera que la grieta cambia de dirección y evita la fase cerámica frágil . ^{[13] [17]} Con base en experimentos realizados en materiales sintéticos similares al nácar , se plantea la hipótesis de que la matriz flexible necesita tener una energía de fractura mayor que la energía elástica en la fractura de la fase dura. ^[17] El arranque de fibras , que ocurre en otros materiales compuestos cerámicos , contribuye a este fenómeno. ^[16] A diferencia de los compuestos sintéticos tradicionales, el aragonito en el nácar forma puentes entre las tabletas individuales, por lo que la estructura no solo se mantiene unida por la fuerte adhesión de la fase cerámica a la orgánica, sino también por estas características de conexión a nanoescala . ^{[16] [13]} A medida que comienza la deformación plástica, los puentes minerales pueden romperse, creando pequeñas asperezas que hacen áspera la interfaz aragonito-proteína. ^[13] La fricción adicional generada por las asperezas ayuda al material a soportar tensiones de corte. ^[13] En compuestos similares al nácar, también se ha demostrado que los puentes minerales aumentan la resistencia a la flexión del material porque pueden transferir la tensión en el material. ^[18] El desarrollo de compuestos sintéticos que exhiban propiedades mecánicas similares al nácar es de interés para los científicos que trabajan en el desarrollo de materiales más fuertes. Para lograr estos efectos, los investigadores se inspiran en el nácar y utilizan cerámicas sintéticas y polímeros para imitar la estructura de " ladrillo y mortero ", puentes minerales y otras características jerárquicas.

Cuando se deshidrata, el nácar pierde gran parte de su resistencia y actúa como un material quebradizo, como el aragonito puro. ^[13] La dureza de este material también se ve afectada negativamente por la deshidratación. ^[13] El agua actúa como un plastificante para la matriz orgánica, mejorando su tenacidad y reduciendo su módulo de corte. ^[13] La hidratación de la capa de proteína también disminuye su módulo de Young , lo que se espera que mejore la energía de fractura y la resistencia de un compuesto con capas duras y blandas alternas. ^[15]

La variación estadística de las plaquetas tiene un efecto negativo en el rendimiento mecánico (rigidez, resistencia y absorción de energía) porque la variación estadística precipita la localización de la deformación. ^[19] Sin embargo, los efectos negativos de las variaciones estadísticas pueden compensarse con interfaces con gran deformación en el momento de la falla acompañada de endurecimiento por deformación. ^[19] Por otro lado, la tenacidad a la fractura del nácar aumenta con variaciones estadísticas moderadas, lo que crea regiones tenaces donde la grieta se fija. ^[20] Pero, variaciones estadísticas más altas generan regiones muy débiles que permiten que la grieta se propague sin mucha resistencia, lo que hace que la tenacidad a la fractura disminuya. ^[20] Los estudios han demostrado que estos defectos estructurales débiles actúan como defectos topológicos disipativos acoplados a una distorsión elástica. ^[21]

El proceso de formación del nácar no está del todo claro. Se ha observado en Pinna nobilis , donde comienza como partículas diminutas (~50–80 nm) que se agrupan dentro de un material natural. Estas partículas se alinean de una manera que se asemeja a fibras y continúan multiplicándose. ^[22] Cuando hay suficientes partículas, se unen para formar las primeras etapas del nácar. El crecimiento del nácar está regulado por sustancias orgánicas que determinan cómo y cuándo comienzan y se desarrollan los cristales de nácar. ^[23]

Se cree que cada cristal, que puede considerarse como un "ladrillo", crece rápidamente hasta alcanzar la altura total de la capa de nácar. Siguen creciendo hasta que se encuentran con los ladrillos circundantes. ^[6] Esto produce el empaquetamiento compacto hexagonal característico del nácar. ^[6] El crecimiento de estos ladrillos puede iniciarse de varias maneras, como a partir de elementos dispersos aleatoriamente dentro de la capa orgánica, ^[24] disposiciones bien definidas de proteínas, ^[2] o pueden expandirse a partir de puentes minerales que provienen de la capa inferior. ^{[25] [26]}

Lo que diferencia al nácar del aragonito fibroso, un mineral de forma similar pero quebradizo, es la velocidad a la que crece en una dirección determinada (aproximadamente perpendicular a la concha). Este crecimiento es lento en el nácar, pero rápido en el aragonito fibroso. ^[27]

Un artículo de 2021 en Nature Physics examinó el nácar de Unio pictorum y observó que, en cada caso, las capas iniciales de nácar depositadas por el organismo contenían defectos en espiral. Los defectos que se arremolinaban en direcciones opuestas creaban distorsiones en el material que los atraían entre sí a medida que las capas se acumulaban hasta que se fusionaban y se anulaban entre sí. Se descubrió que las capas posteriores de nácar tenían una estructura uniforme y ordenada. ^{[21] [28]}

El nácar es secretado por las células epiteliales del tejido del manto de varios moluscos. El nácar se deposita continuamente sobre la superficie interna de la concha, la capa nacarada iridiscente , comúnmente conocida como nácar . Las capas de nácar alisan la superficie de la concha y ayudan a defender los tejidos blandos contra parásitos y desechos dañinos sepultándolos en capas sucesivas de nácar, formando una perla ampolla adherida al interior de la concha o una perla libre dentro de los tejidos del manto. El proceso se llama enquistamiento y continúa mientras el molusco vive.

La forma del nácar varía de un grupo a otro. En los bivalvos , la capa de nácar está formada por cristales individuales en un empaquetamiento compacto hexagonal . En los gasterópodos , los cristales están maclados , y en los cefalópodos , son monocristales pseudohexagonales, que a menudo están maclados. ^[6]

Las principales fuentes comerciales de nácar han sido la ostra perlera , los mejillones perlíferos de agua dulce y, en menor medida, el abulón , popular por su robustez y belleza en la segunda mitad del siglo XIX.

Las conchas del gran caracol turbante verde Turbo marmoratus y del gran caracol de cabeza Tectus niloticus fueron ampliamente utilizadas para botones de nácar, especialmente durante la década de 1900. El comercio internacional de nácar está regido por la Convención sobre el Comercio Internacional de Especies Amenazadas de Fauna y Flora Silvestres , un acuerdo firmado por más de 170 países. ^[30]

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Tanto el nácar blanco como el negro se utilizan con fines arquitectónicos . El nácar natural se puede teñir artificialmente hasta obtener casi cualquier color. Las teselas de nácar se pueden cortar en formas y laminar sobre una base de baldosas de cerámica o mármol . Las teselas se colocan a mano y se juntan entre sí, creando un mosaico o patrón irregular (como un tejido). El material laminado suele tener un grosor de unos 2 milímetros (0,079 pulgadas). A continuación, las teselas se lacan y se pulen para crear una superficie duradera y brillante. En lugar de utilizar una base de mármol o baldosa, las teselas de nácar se pueden pegar a fibra de vidrio . El resultado es un material ligero que ofrece una instalación perfecta y no hay límite para el tamaño de las láminas. Las láminas de nácar se pueden utilizar en suelos interiores, paredes exteriores e interiores, encimeras, puertas y techos. La inserción en elementos arquitectónicos, como columnas o muebles, se realiza fácilmente. ^{[ cita requerida ]}

Las incrustaciones de nácar se utilizan a menudo para las teclas musicales y otros motivos decorativos en los instrumentos musicales. Muchos cuerpos de acordeón y concertina están completamente cubiertos de nácar, y algunas guitarras tienen incrustaciones de nácar en el diapasón o en el clavijero (o incrustaciones de plástico de imitación perlado ). El bouzouki y los baglamas (instrumentos de cuerda pulsada griegos de la familia del laúd ) suelen presentar decoraciones de nácar, al igual que el oud de Oriente Medio (normalmente alrededor de los orificios de sonido y en la parte posterior del instrumento). Los arcos de los instrumentos de cuerda, como el violín y el violonchelo, suelen tener incrustaciones de nácar en la nuez. Se utiliza tradicionalmente en las teclas del saxofón , así como en los botones de las trompetas y otros instrumentos de viento metal. El tambor de copa de Oriente Medio (darbuka) suele estar decorado con nácar. ^{[ cita requerida ]}

A finales del siglo XIX, Anukul Munsi fue el primer artista consumado que talló con éxito las conchas de ostras para dar forma a un ser humano, lo que condujo a la invención de un nuevo horizonte en el arte contemporáneo indio. Por la Exposición del Imperio Británico en 1924, recibió una medalla de oro. ^{[31] [32]} A su hijo mayor, Annada Munshi, se le atribuye el dibujo del Movimiento Swadesi indio en forma de publicidad india. ^[33] El tercer hijo de Anukul Charan Munshi, Manu Munshi, fue uno de los mejores artistas de nácar de mediados del siglo XX. Como el mejor ejemplo del "arte Charu y Karu de Bengala", el ex Ministro Principal de Bengala Occidental , Dr. Bidhan Chandra Roy , envió la obra de arte de Manu, "Gandhiji's Noakhali Abhiyan", a los Estados Unidos . Numerosas figuras ilustres, como Satyajit Ray , Bidhan Chandra Roy , el abogado Subodh Chandra Roy, Subho Tagore , Humayun Kabir , Jehangir Kabir , así como su hermano mayor Annada Munshi, estuvieron entre los mecenas de sus obras de arte. "Indira Gandhi" fue una de sus famosas obras de arte en nácar. Se le atribuye el mérito de retratar a Tagore en varias posturas creativas que fueron talladas hábilmente en placas metálicas. ^{[34] [35]} Su primo Pratip Munshi también fue un famoso artista del nácar. ^{[36] [37]}

Los botones de nácar se utilizan en la ropa con fines funcionales o decorativos. Los Pearly Kings and Queens son un ejemplo elaborado de ello.

A veces se utiliza en las empuñaduras decorativas de las armas de fuego y en otros accesorios para armas. ^{[ cita requerida ]}

El nácar se utiliza a veces para fabricar utensilios con forma de cuchara para el caviar (es decir, servidores de caviar ^{[38] [39]} ) para no estropear el sabor con cucharas metálicas.

• 
  Retablo , c.  1520 , con amplio uso de nácar tallado.
• 
  Frasco de pólvora de nácar , c.  1750 , fabricado principalmente con concha de Turbo marmoratus
• 
  Incrustaciones de teselas de nácar , Palacio de Topkapı , Estambul
• 
  Colgante de nácar grabado, Islas Salomón 1838

La empresa de biotecnología Marine Biomedical, formada por una colaboración entre la Facultad de Medicina de la Universidad de Australia Occidental y una empresa de perlas de Broome^[update] , está desarrollando a partir de 2021 un producto de nácar para crear "PearlBone", que podría usarse en pacientes que necesitan injertos óseos y cirugía reconstructiva . La empresa está solicitando la aprobación regulatoria en Australia y varios otros países, y espera que sea aprobado para uso clínico alrededor de 2024-5. Se pretende construir una fábrica en la región de Kimberley , donde abundan las conchas de perlas, que trituraría el nácar en un producto apto para su uso en productos biomédicos. Las aplicaciones futuras podrían incluir empastes dentales y cirugía de columna . ^[40]

En 2012, los investigadores crearon nácar a base de calcio en el laboratorio imitando su proceso de crecimiento natural. ^[41]

En 2014, los investigadores utilizaron láseres para crear un análogo del nácar mediante el grabado de redes de "microfisuras" tridimensionales onduladas en el vidrio. Cuando las láminas se sometieron a un impacto, las microfisuras absorbieron y dispersaron la energía, evitando que el vidrio se rompiera. En total, se informó que el vidrio tratado era 200 veces más resistente que el vidrio sin tratar. ^[42]

• Ammolita
• Recolección de perlas en Australia Occidental
• Raden

• Abid, N.; Mirkhalaf, M.; Barthelat, F. (2018). "Modelado de elementos discretos de materiales similares al nácar: efectos de microestructuras aleatorias en la localización de la deformación y el rendimiento mecánico". Journal of the Mechanics and Physics of Solids . 112 : 385–402. Bibcode :2018JMPSo.112..385A. doi :10.1016/j.jmps.2017.11.003.
• Bruet, B.; Qi, HJ; Boyce, MC; Panas, R.; Tai, K.; Frick, L.; Ortiz, C. (2005). "Morfología a nanoescala y sangría de tabletas individuales de nácar del molusco gasterópodo Trochus niloticus" (PDF) . J. Mater. Res . 20 (9): 2400. Bibcode :2005JMatR..20.2400B. doi :10.1557/JMR.2005.0273. S2CID  564507.
• Checa, Antonio G.; Julyan HE Cartwright , Marc-Georg Willinger y Steven M. Stanley (6 de enero de 2009), "El papel clave de la membrana superficial en el crecimiento del nácar de los gasterópodos en torres"; Actas de la Academia Nacional de Ciencias de los Estados Unidos de América , vol. 106, núm. 1. doi :10.1073/pnas.0808796106.
• Frýda, J.; Bandel, K.; Frýdová, B. (2009). "Textura cristalográfica del nácar de gasterópodos del Triásico Tardío: evidencia de estabilidad a largo plazo del mecanismo que controla su formación". Boletín de Geociencias . 84 (4): 745–754. doi : 10.3140/bull.geosci.1169 .
• Lin, A.; Meyers, MA (15 de enero de 2005). "Crecimiento y estructura en la concha de abulón". Ciencia e ingeniería de materiales A. 390 ( 1–2): 27–41. doi :10.1016/j.msea.2004.06.072.
• Mayer, G. (2005). "Sistemas biológicos rígidos como modelos para compuestos sintéticos". Science . 310 (5751): 1144–1147. Bibcode :2005Sci...310.1144M. doi :10.1126/science.1116994. PMID  16293751. S2CID  19079526.

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• Objetos con nácar en la base de datos de colecciones en línea de la Sociedad Histórica de Staten Island