贝壳和粉笔材质一样 ,为什么硬度不一样呢?

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贝壳和粉笔的主要成分都是碳酸钙,粉笔柔软易碎,可以直接拿来书写,而贝壳则极具韧性,它们质地坚硬不易破损,也不能用来在路边涂鸦,但它们的主要成分依旧是碳酸钙,那么是什么让贝壳与众不同呢?为何粉笔和贝壳会是同一种物质构成呢?提醒一下,这里我说的是矿物粉笔,和教室专用粉笔不同,街头粉笔通常由石膏制成。

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贝壳和矿物粉笔都是生物制品,这些物质是由海洋中单细胞生物的钙化壳逐渐压缩堆积而成,而双壳类软体动物如牡蛎和贻贝都是盖壳高手,当我们采集矿物时,它们早已死掉,而剩下的只有易碎的壳,但是这些软体动物正把海中溶解的碳酸盐和碳酸钙带给一些出色的生物建筑师。贝壳中的碳酸盐含量达95%甚至更高,剩下的大部分是蛋白质,还有一点糖分。

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但一个小生物化学反应则要很长时间,碳酸钙的存在形式有很多,就算它的化学式永远不变,它的晶体结构,即立体原子空间结构也不止一种,我们目前研究的两种是方解石和文石,方解石比文石更稳定,但很多双壳动物贝壳里两者各有一层,外面一层是方解石,里面一层是文石。分层的一个好处是晶体结构在空间上取向不同,如果方解石层裂开,裂缝很可能在抵达文石层时停止,因为文石裂开的方式不一样,但仅仅这样并不足以使贝壳比粉笔更坚硬。

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我们说过软体动物是绝佳的建筑师,牡蛎中的文石层被称为珍珠层或者珍珠母,现在我们来看一下科学家眼中的牡蛎是如何做到这样的。珍珠层由若干文石晶体层组成,而文石层又被很薄的蛋白质层隔开,一种叫几丁质的糖链将其固定,这种二糖属于食用糖,可水解而且不可单独使用。

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试着建一座糖方,看它能维持多久。但如果把它们连成叫做多糖的长链,那就成了坚固的纤维。几丁质就是这样的多糖,蛋白质附着在几丁质层上为碳酸钙晶体提供生长场所,吸引矿物质的区域由这些蛋白质掌控着。基于这些区域的空间构造,晶体以块状规律生长,最后延伸至边缘,包裹下一层并融合在一起。

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蛋白质和多糖的任务远不止这些,贝壳的形成需要各种各样复杂的生物分子的参与,科学家们仍在研究这个过程是如何进行的。多亏了蛋白质和几丁质层 以及精确的结构控制,珍珠层才比粉笔更坚硬,牡蛎才能继续合成珍珠。它们太厉害了,这意味着贝壳软体动物并不只是将它当作帽子,它们指挥贝壳的建造和晶体的使用–是方解石或者文石,它们可以造各种与粉笔差别很大的贝壳,甚至一生都可以重复建造,这就解释了为什么你没法用贝壳在街头涂鸦,因此也保护了贝类软体动物。

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