麥吉爾大學的McKee教授實驗室的蛋殼
用一分鐘的時間去驚歎一個非常熟悉的景象:雞蛋的驚人的複雜性和彈性。一個雞蛋的殼足夠堅固，不會從外面裂開，儘管它很薄，同時在裡面足夠脆弱，讓小雞孵出來。它的秘密是什麼?據麥吉爾大學的加拿大研究人員稱，這都是在蛋殼內的納米結構。
為了找出是什麼使一隻鳥的蛋殼如此獨特，一個由牙科研究人員和工程師組成的交叉學科團隊精心準備了蛋殼樣品，研究了它們的分子納米結構和力學性能。這比聽起來更有挑戰性。因為蛋殼是如此的脆弱，當你試圖用電子顯微鏡切割切片時，它們很容易破裂。該團隊通過使用聚焦離子束切割系統來優雅地切割薄層的蛋殼和內部圖像來解決這個問題。
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“蛋殼在生物礦化方面是很了不起的，因為它們是我們所知道的最快的生物礦化系統之一——一隻母雞幾乎每天都能在17個小時內形成6克的蛋殼。”我們對蛋殼的形成速度如此之快，以及它的內部結構是什麼樣子都很感興趣，”麥吉爾大學解剖學和細胞生物學教授馬克·麥基(Marc McKee)告訴ZME Science，他是這項新研究的合著者。
麥基說“我們現在有研究工具來切割非常薄的殼層(一束聚焦離子束，幾乎可以切割任何東西)，當我們試圖用以前的方法切割時，它阻止了外殼的破碎。有了這個非常薄的部分，我們就能通過原子力顯微鏡和電子顯微鏡，在外殼內部識別出一個迷人的亞基納米結構。時刻是我們看到納米結構的各種顯微鏡!當我們猜測它可能是真的，因為蛋殼的獨特性質，但我們實際上看到了它。”
當一隻母雞下了一個蛋時，在孵蛋的時候，它是非常堅硬的。當蛋殼內的胚胎髮育時，殼內的部分就會溶解來提供寶貴的鈣，這是小雞需要長骨頭的。與此同時，這個過程會削弱外殼，使它被孵化的小雞打破。McKee和他的同事們瞭解到，這種雙重功能是通過在孵化過程中殼內納米結構的變化來實現的。具體地說，研究人員挑出了一種與骨聯蛋白有關的納米結構礦物——也就是骨頭中發現的蛋殼蛋白——這是驅動外殼強度的主要因素。在一項實驗中，研究人員在實驗室中添加了一種類似的納米結構，在礦物晶體中加入骨蛋白。
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“因為我們能夠在實驗室環境中複製出類似於蛋殼納米結構的東西，在蛋殼蛋白骨蛋白的存在下生長我們自己的合成晶體，這意味著我們可以控制蛋白質基質中礦物質的納米結構尺寸——從而製造出納米複合材料。”一般來說，納米複合材料以其強度和硬度、重量輕和多功能性而著稱，在許多領域都有許多優點和應用。
這些發現有許多潛在的應用。例如，瞭解某些蛋白質在蛋殼硬化過程中的作用對食品安全有重要的影響，例如，有裂縫的雞蛋會增加沙門氏菌中毒的風險。這一發現也為一種新型的蛋殼複合材料打開了大門，這種材料既堅固又輕便。
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“因為我們可以在實驗室環境中在方解石礦物中部分重建蛋殼結構，這可能使我們能夠有意地生產具有理想性能的新型納米複合材料。”納米複合材料具有驚人的獨特性能，許多新型納米材料都是由許多行業發展起來的。它們通常是強而輕的，在許多其他屬性中。當然，在食品工業中，有一個強壯而堅韌的蛋殼可以防止病菌進入可能導致食物中毒的雞蛋。瞭解更多關於貝殼納米結構的知識，將使我們能夠選擇那些不斷生產出更強的雞蛋的母雞。”麥基告訴ZME。
麥基說：“在未來，研究人員計劃“瞭解蛋白質骨橋蛋白如何控制外殼的納米結構和強度的機制。”
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“這是令人興奮的，因為我們正在從大自然中學習，從千百萬年的進化過程中瞭解到，納米結構是如何為像鳥類蛋殼這樣看似精緻的東西提供最理想的物質屬性的。”事實上,外殼為它的功能非常強大和強硬,但也終於足夠精緻在某個時間點讓小雞孵化的蛋打破殼從內向外,所有這一切都源於納米結構在一般情況下,殼壁厚度和納米結構的差異。作為一種生物納米複合材料，蛋白質基質與礦物之間的相互作用為自恐龍時代以來一直存在的殼結構提供了獨特而理想的特性。
研究結果發表在《科學進展》雜誌上。
本文譯自：Zmescience 譯者：劉裕嶸
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