El nácar ( / ˈ n eɪ k ər / NAY -kər , también / ˈ n æ k r ə / NAK -rə ), [1] también conocido como nácar , es un material compuesto orgánico-inorgánico producido por algunos moluscos como capa interna de la cáscara . 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 en la gran mayoría de las conchas de los moluscos es porcelánea , no nacarada, y esto generalmente da como resultado un brillo no iridiscente o, más raramente, una iridiscencia no nacarada, como una estructura de llama como la que se encuentra en las perlas de caracola .
La capa exterior de perlas cultivadas y la capa interior de conchas de ostra perlada y mejillón de agua dulce están hechas de nácar. Otras familias de moluscos que tienen una capa interna de concha nacarada incluyen gasterópodos marinos como los Haliotidae , los Trochidae y los Turbinidae .
El nácar está compuesto de plaquetas hexagonales de aragonito (una forma de carbonato de calcio ) de 10 a 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 los comprimidos, 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 espesor de las plaquetas de aragonito está cerca de la longitud de onda de la luz visible . Estas estructuras interfieren de manera constructiva y destructiva con diferentes longitudes de onda de luz en diferentes ángulos de visión, creando colores estructurales .
El eje c cristalográfico apunta aproximadamente perpendicular a la pared de la cáscara, pero la dirección de los otros ejes varía entre los grupos. Se ha demostrado que las tabletas adyacentes tienen una orientación del eje C dramáticamente diferente, generalmente orientadas aleatoriamente dentro de ~20° de la vertical. [4] [5] En 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 en esta dirección. [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 considerablemente su dureza , haciéndola 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 , corte y compresión, análisis de Weibull , nanoindentación y otras técnicas para probar 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 las 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 proteica y aragonita es alta, lo que indica que existen 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 para la grieta continuar hacia la matriz orgánica viscoelástica y flexible que ir directamente hacia otra plaqueta de aragonito. [13] [16] Esto da como resultado que la fase de proteína dúctil se deforme de tal manera que la grieta cambie de dirección y evite la fase cerámica quebradiza . [13] [17] Basado 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 el momento de la fractura de la fase dura. [17] La extracción de fibras , que se produce en otros materiales compuestos cerámicos , contribuye a este fenómeno. [16] A diferencia de los compuestos sintéticos tradicionales, la aragonita del nácar forma puentes entre las tabletas individuales, por lo que la estructura no sólo 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 aragonita-proteína. [13] La fricción adicional generada por las asperezas ayuda al material a resistir las tensiones cortantes. [13] En los compuestos similares al nácar, también se ha demostrado que los puentes minerales aumentan la resistencia a la flexión del material porque pueden transferir tensiones en el material. [18] El desarrollo de compuestos sintéticos que exhiban propiedades mecánicas similares a las del nácar es de interés para los científicos que trabajan en el desarrollo de materiales más resistentes. Para lograr estos efectos, los investigadores se inspiran en el nácar y utilizan cerámicas y polímeros sintéticos para imitar la estructura de " ladrillo y mortero ", puentes minerales y otras características jerárquicas.
Cuando se deshidrata, el nácar pierde gran parte de su fuerza y actúa como un material quebradizo, como la aragonita pura. [13] La dureza de este material también se ve afectada negativamente por la deshidratación. [13] El agua actúa como plastificante de 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 alternadas. [15]
La variación estadística de las plaquetas tiene un efecto negativo sobre 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 mediante interfaces con una gran deformación en el momento del fallo 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 resistentes donde la grieta queda fijada. [20] Pero las variaciones estadísticas más altas generan regiones muy débiles que permiten que la grieta se propague sin mucha resistencia, lo que provoca que la tenacidad a la fractura disminuya. [20] Los estudios han demostrado que estos defectos estructurales débiles actúan como defectos topológicos disipativos acoplados por 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 forma similar a las fibras y continúan multiplicándose. [22] Cuando hay suficientes partículas, se unen para formar las primeras etapas de 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. Continúan creciendo hasta que se encuentran con los ladrillos circundantes. [6] Esto produce la característica de empaquetamiento hexagonal 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] arreglos bien definidos de proteínas, [2] o pueden expandirse a partir de puentes minerales provenientes de la capa inferior. . [25] [26]
Lo que distingue al nácar de la aragonita fibrosa, un mineral de forma similar pero frágil, es la velocidad a la que crece en una determinada dirección (aproximadamente perpendicular a la cáscara). 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 señaló que en cada caso las capas iniciales de nácar depositadas por el organismo contenían defectos en espiral. Los defectos que giraban en direcciones opuestas creaban distorsiones en el material que los acercaban entre sí a medida que las capas se acumulaban hasta fusionarse y anularse entre sí. Se descubrió que las capas posteriores de nácar eran uniformes y de estructura 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 suavizan la superficie de la concha y ayudan a defender los tejidos blandos contra los parásitos y los desechos dañinos al sepultarlos en capas sucesivas de nácar, formando una perla ampollada adherida al interior de la concha o una perla libre dentro de los tejidos del manto. El proceso se llama enquistación y continúa mientras vive el molusco.
La forma del nácar varía de un grupo a otro. En los bivalvos , la capa de nácar está formada por monocristales en un empaquetamiento cerrado 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 perla , los mejillones perla de agua dulce y, en menor medida, el abulón , popular por su robustez y belleza en la segunda mitad del siglo XIX.
Ampliamente utilizadas para botones de perlas, especialmente durante la década de 1900, fueron las conchas del gran caracol turbante verde Turbo marmoratus y del gran caracol superior, Tectus niloticus . El comercio internacional de nácar se rige por la Convención sobre el Comercio Internacional de Especies Amenazadas de Fauna y Flora Silvestres , un acuerdo firmado por más de 170 países. [30]
Tanto el nácar blanco como el negro se utilizan con fines arquitectónicos . El nácar natural se puede teñir artificialmente de 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 intercalan muy juntas, creando un mosaico o patrón irregular (como un tejido). El material laminado suele tener un espesor de aproximadamente 2 milímetros (0,079 pulgadas). Luego, las teselas se lacan y pulen creando una superficie duradera y brillante. En lugar de utilizar una base de mármol o baldosa, las teselas de nácar se pueden pegar sobre fibra de vidrio . El resultado es un material liviano que ofrece una instalación perfecta y no hay límite para el tamaño de la lámina. Las láminas de nácar se pueden utilizar en pisos interiores, paredes exteriores e interiores, encimeras, puertas y techos. La inserción en elementos arquitectónicos, como columnas o muebles, se logra fácilmente. [ cita necesaria ]
Las incrustaciones de nácar se utilizan a menudo para teclas musicales y otros motivos decorativos de instrumentos musicales. Muchos cuerpos de acordeón y concertina están completamente cubiertos de nácar, y algunas guitarras tienen incrustaciones en el diapasón o en el clavijero hechas de nácar (o incrustaciones de plástico perlado de imitación ). El bouzouki y los baglamas (instrumentos griegos de cuerda pulsada de la familia del laúd ) suelen presentar decoraciones de nácar, al igual que el oud relacionado del Medio Oriente (normalmente alrededor de las bocas y en la parte posterior del instrumento). Los arcos de instrumentos de cuerda como el violín y el violonchelo suelen tener incrustaciones de nácar en la ranilla. Se utiliza tradicionalmente en las teclas de saxofón , así como en los botones de válvula de trompetas y otros instrumentos de metal. El tambor de copa del Medio Oriente (darbuka) comúnmente está decorado con nácar. [ cita necesaria ]
A finales del siglo XIX, Anukul Charan Munshi fue el primer artista consumado que talló con éxito conchas de ostras para dar forma a un ser humano, lo que llevó a la invención de un nuevo horizonte en el arte contemporáneo indio. Para la Exposición del Imperio Británico de 1924, recibió una medalla de oro. [31] [32] A su hijo mayor, Annada Munshi , se le atribuye haber dibujado el movimiento indio Swadesi 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 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 , Barrister 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 de nácar. Se le atribuye haber retratado a Tagore en varias posturas creativas que fueron hábilmente talladas en placas metálicas. [34] [35] Su primo Pratip Munshi también fue un famoso artista de nácar. [36] [37]
Los botones de nácar se utilizan en la ropa con fines funcionales o decorativos. Los Reyes y Reinas Nacarados son un ejemplo elaborado de esto.
A veces se utiliza en las empuñaduras decorativas de armas de fuego y en otros muebles para armas. [ cita necesaria ]
El nácar se utiliza a veces para fabricar utensilios en forma de cuchara para caviar (es decir, servidores de caviar [38] [39] ) para no estropear el sabor con cucharas metálicas.
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 , está desarrollando a partir de 2021 [update]un producto nácar para crear "PearlBone", que podría usarse en pacientes que necesitan injertos óseos y cirugía reconstructiva. . La compañía está solicitando la aprobación regulatoria en Australia y varios otros países, y espera que sea aprobada para uso clínico alrededor de 2024-205. Se pretende construir una fábrica en la región de Kimberley , donde abundan las conchas de perlas, que molería el nácar hasta obtener 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 grabando redes de "microgrietas" onduladas en 3D en vidrio. Cuando los portaobjetos fueron sometidos a un impacto, las microfisuras absorbieron y dispersaron la energía, evitando que el vidrio se rompiera. En total, el vidrio tratado era 200 veces más resistente que el vidrio no tratado. [42]
