진주층 (물질)

thumb|upright=1.2|앵무조개 껍데기 내부의 무지개색 진주층
thumb|upright=1.2|장식품으로 가공된 진주층 껍데기

진주층(眞珠層, Nacre 또는 mother-of-pearl)은 일부 연체동물이 조가비의 안쪽 층으로 생산하는 유기무기 복합 재료이다. 또한 진주가 구성되는 재료이기도 하다. 진주층은 강하고 탄력 있으며 훈색을 띤다.

진주층은 이매패류, 복족류 및 두족류의 가장 오래된 일부 계통에서 발견된다. 그러나 대부분의 연체동물 껍데기의 안쪽 층은 진주층이 아닌 도자기질이며, 이는 일반적으로 무지개색이 아닌 광택을 내거나, 고둥 진주에서 발견되는 불꽃 구조와 같은 비진주층성 훈색을 드물게 발생시킨다.

양식 진주의 바깥층과 진주 굴 및 담수진주 조개 껍데기의 안쪽 층은 진주층으로 만들어진다. 진주층 내부 껍데기 층을 가진 다른 연체동물과에는 전복과, 진주탑과 및 밤고둥과와 같은 해양 복족류가 포함된다.

 물리적 특성 
 구조와 외관 

thumb|upright=1.2|진주층의 미세 구조 개략도
thumb|upright=1.2|진주층 파단면의 전자 현미경 이미지

진주층은 너비 10–20 μm, 두께 0.5 μm인 아라고나이트(탄산 칼슘의 한 형태)로 된 육각형의 판(tablets)으로 구성되어 연속적인 평행 엽상으로 배열되어 있다. 종에 따라 판의 모양은 다르다. 키조개에서는 판이 직사각형이며, 대칭적인 구역은 다소 용해성이 있다. 판의 모양에 관계없이, 판에 포함된 가장 작은 단위는 불규칙한 둥근 알갱이이다. 이 층들은 탄성 생체고분자(키틴, 루스트린 및 견섬유와 유사한 단백질 등)로 구성된 유기 매트릭스(계면) 층에 의해 분리된다.

진주층은 아라고나이트 판의 두께가 가시 빛의 파장과 비슷하여 훈색을 띤다. 이러한 구조는 다른 시야각에서 다른 파장의 빛과 건설적 및 파괴적으로 간섭하여 구조색을 생성한다.

결정학적 c-축은 껍데기 벽에 거의 수직이지만, 다른 축의 방향은 그룹마다 다르다. 인접한 판들은 c-축 방향이 상당히 다르며, 일반적으로 수직 방향에서 약 20° 이내로 무작위로 배열된 것으로 나타났다. 이매패류와 두족류에서는 b-축이 껍데기 성장 방향을 향하는 반면, 단판류에서는 a-축이 이러한 방식으로 기울어져 있다.

 기계적 특성 
취성 판과 얇은 탄성 생체 고분자 층의 혼합은 이 재료를 강하고 탄력 있게 만들며, 영률은 70 GPa이고 항복 응력은 대략 70 MPa이다(건조 시). 강도와 탄력성은 판의 "벽돌 쌓기" 배열에 의한 접착 때문일 가능성이 높으며, 이는 횡방향 균열 전파를 억제한다. 여러 길이 스케일에 걸쳐 있는 이 구조는 인성을 크게 증가시켜 규소만큼 거의 강하게 만든다. 무기물-유기물 계면은 유기물 중간층의 탄력성과 강도를 향상시킨다. 진주층 벽돌의 맞물림은 변형 메커니즘과 인성 모두에 큰 영향을 미친다. 인장, 전단, 압축 시험, 베이불 분석, 나노압입 및 기타 기술이 모두 진주층의 기계적 특성을 조사하는 데 사용되었다. 진주층의 기계적 행동에 대한 실험적 관찰을 설명하기 위해 이론적 및 계산적 방법도 개발되었다. 진주층은 판과 평행하거나 수직으로 힘이 가해질 때 압축 하중에서 인장 하중보다 더 강하다. 진주층은 방향성 구조로서 매우 비등방성이며, 따라서 그 기계적 특성 또한 방향에 따라 달라진다.

진주층의 기계적 거동에는 다양한 강화 메커니즘이 작용한다. 단백질상과 아라고나이트상을 분리하는 데 필요한 접착력은 높아, 구성 요소 간에 분자 상호작용이 있음을 나타낸다. 단단한 층과 부드러운 층이 교차하는 층상 구조에서, 진주층을 이해하는 데 적용할 수 있는 모델 시스템은 파괴 에너지와 파괴 강도가 모두 단단한 재료 단독의 값보다 크다. 특히, 이 구조는 균열이 다른 아라고나이트 판으로 직접 들어가는 것보다 점탄성이 있고 유연한 유기 매트릭스로 계속 진행하기 쉽기 때문에 균열 편향을 촉진한다. 이는 연성 단백질 상이 변형되어 균열 방향을 바꾸고 취성 세라믹 상을 피하게 한다. 진주층과 유사한 화학 합성 재료에 대한 실험에 따르면, 유연한 매트릭스는 단단한 상의 파괴 시 탄성 에너지보다 더 큰 파괴 에너지를 가져야 한다고 가정한다. 다른 세라믹 복합 재료에서 발생하는 섬유 인발이 이 현상에 기여한다. 전통적인 합성 복합재와 달리 진주층의 아라고나이트는 개별 판 사이에 다리를 형성하므로, 이 구조는 세라믹 상과 유기 상의 강한 접착뿐만 아니라 이러한 연결 나노스케일 특징에 의해서도 결합되어 있다. 소성 변형이 시작되면 미네랄 브릿지가 파괴되어 아라고나이트-단백질 계면을 거칠게 만드는 작은 돌기가 생성될 수 있다. 돌기에 의해 생성된 추가적인 마찰은 재료가 전단 응력을 견디는 데 도움이 된다. 진주층과 유사한 복합재에서는 미네랄 브릿지가 재료의 굽힘 강도를 증가시키는 것으로 나타났는데, 이는 재료 내에서 응력을 전달할 수 있기 때문이다. 진주층과 유사한 기계적 특성을 보이는 합성 복합재 개발은 더 강한 재료를 개발하는 과학자들에게 흥미로운 주제이다. 이러한 효과를 얻기 위해 연구자들은 진주층에서 영감을 받아 합성 세라믹과 고분자를 사용하여 "벽돌-모르타르" 구조, 미네랄 브릿지 및 기타 계층적 특징을 모방한다.

수분이 제거되면 진주층은 강도의 상당 부분을 잃고 순수 아라고나이트와 같이 취성 재료로 작용한다. 이 재료의 경도 또한 탈수에 의해 부정적인 영향을 받는다. 물은 유기 매트릭스의 가소제 역할을 하여 인성을 향상시키고 전단 탄성 계수를 감소시킨다. 단백질 층을 수화하면 영률도 감소하는데, 이는 단단한 층과 부드러운 층이 교차하는 복합재의 파괴 에너지와 강도를 향상시킬 것으로 예상된다.

판의 통계적 변동은 변형의 국지화를 촉진하여 기계적 성능(강성, 강도, 에너지 흡수)에 부정적인 영향을 미친다. 그러나 통계적 변동의 부정적인 영향은 변형 경화와 함께 파괴 시 큰 변형을 동반하는 계면으로 상쇄될 수 있다. 반면에 진주층의 파괴 인성은 균열이 고정되는 질긴 영역을 생성하는 적당한 통계적 변동과 함께 증가한다. 그러나 더 높은 통계적 변동은 매우 약한 영역을 생성하여 균열이 큰 저항 없이 전파되어 파괴 인성이 감소하게 한다. 연구에 따르면 이러한 약한 구조적 결함은 탄성 변형에 의해 결합된 소산성 위상학적 결함으로 작용한다.

 형성 
진주층이 어떻게 형성되는지에 대한 과정은 완전히 명확하지 않다. 진주담치(Pinna nobilis)에서 관찰된 바에 따르면, 진주층은 천연 물질 내부에서 작은 입자(약 50–80 nm)들이 함께 모이는 것으로 시작된다. 이 입자들은 섬유와 유사한 방식으로 정렬되며 계속해서 증식한다. 충분한 입자들이 모이면 진주층의 초기 단계를 형성한다. 진주층의 성장은 진주층 결정이 언제 어떻게 시작되고 발달할지를 결정하는 유기 물질에 의해 조절된다.

"벽돌"로 생각할 수 있는 각 결정은 진주층의 전체 높이에 빠르게 도달하도록 성장하는 것으로 여겨진다. 이들은 주변 벽돌과 만날 때까지 계속 성장한다. 이로 인해 진주층의 특징인 육방밀집형 구조가 생성된다. 이러한 벽돌의 성장은 유기층 내에 무작위로 흩어져 있는 요소에서 시작되거나, 잘 정의된 단백질 배열에서 시작되거나, 또는 아래층에서 오는 미네랄 브릿지로부터 확장될 수 있다.

진주층이 유사하게 형성되지만 취성인 섬유상 아라고나이트와 구별되는 점은 특정 방향(껍데기에 거의 수직)으로 성장하는 속도이다. 이 성장은 진주층에서는 느리지만 섬유상 아라고나이트에서는 빠르다.

2021년 네이처 피직스에 발표된 논문은 유니오 픽토룸(Unio pictorum)의 진주층을 조사했는데, 각 경우에 유기체가 형성한 진주층의 초기 층에 나선형 결함이 포함되어 있음을 지적했다. 반대 방향으로 나선형을 이루는 결함은 재료에 왜곡을 생성하여 층이 쌓이면서 서로 끌어당겨 합쳐지고 상쇄되었다. 이후의 진주층 층은 균일하고 질서정연한 구조를 가진 것으로 밝혀졌다.

 기능 
thumb|upright=1.2|오클라호마주의 화석 아스팔트 석회암에 원본 훈색 진주층이 있는 화석 앵무조개류 껍데기. 후기 중기 펜실베이니아기로 연대가 측정되어, 아라고나이트 진주층 조개 화석이 있는 세계에서 가장 오래된 퇴적층이다.
진주층은 다양한 연체동물의 외투막 조직의 상피 세포에 의해 분비된다. 진주층은 껍데기의 안쪽 표면, 즉 일반적으로 자개라고 알려진 훈색 진주층에 계속해서 침착된다. 진주층은 껍데기 표면을 매끄럽게 하고 기생생물과 손상 유발 파편으로부터 부드러운 조직을 보호하며, 이를 연속적인 진주층 안에 묻어 껍데기 내부에 부착된 물집 진주 또는 외투막 조직 내에 자유로운 진주를 형성한다. 이 과정은 포낭화라고 불리며 연체동물이 살아 있는 한 계속된다.

 다른 연체동물 그룹에서 

진주층의 형태는 그룹마다 다르다. 이매패류의 진주층은 육방밀집형의 단결정으로 이루어져 있다. 복족류에서는 결정이 쌍정을 이루고, 두족류에서는 종종 쌍정을 이루는 유사 육각형 단결정이다.

 상업적 공급원 
thumb|upright=1.2|진주층 팔찌

자개의 주요 상업적 공급원은 진주 굴, 담수진주 조개였으며, 19세기 후반에 견고함과 아름다움으로 인기를 얻었던 전복이 그보다 덜한 비중을 차지했다.

특히 1900년대에 진주 단추용으로 널리 사용된 것은 큰 녹색 관모 고둥(Turbo marmoratus) 껍데기와 큰 상단 고둥(Tectus niloticus)이었다. 자개 국제 무역은 170개국 이상이 서명한 협약인 멸종위기에 처한 야생동식물종의 국제거래에 관한 협약에 의해 규제된다.

 사용 

 장식용 
 고대 중국의 자개 

중국에서 자개로 만든 고대 예술품. 이 고대 예술은 상나라 시대로 거슬러 올라간다. 이 예술은 보석함, 장식품 및 장신구에도 사용된다. 오늘날 이 예술은 중국 문화유산 중 하나이다.

 건축 
검은색과 흰색 진주층 모두 건축 목적으로 사용된다. 천연 진주층은 거의 모든 색상으로 인공적으로 착색될 수 있다. 진주층 테세라는 모양으로 잘라 세라믹 타일 또는 대리암 바닥에 라미네이션할 수 있다. 테세라는 손으로 배치하고 밀착시켜 불규칙한 모자이크 또는 패턴(예: 직조)을 만든다. 라미네이트된 재료는 일반적으로 두께가 이다. 그런 다음 테세라에 옻칠을 하고 연마하여 내구성이 뛰어나고 광택이 나는 표면을 만든다. 대리석 또는 타일 바닥 대신 진주층 테세라를 유리섬유에 접착할 수 있다. 그 결과 이음새 없는 설치를 제공하는 경량 재료가 만들어지며 시트 크기에는 제한이 없다. 진주층 시트는 실내 바닥, 외부 및 내부 벽, 조리대, 문 및 천장에 사용될 수 있다. 기둥이나 가구와 같은 건축 요소에 삽입하는 것도 쉽게 가능하다.

장신구

자개는 매끄러운 질감과 훈색을 띠는 외관 때문에 주얼리에 흔히 사용된다. 굴이나 전복과 같은 연체동물 껍데기의 내부 층에서 채취한다.

자개는 귀걸이, 펜던트, 반지, 팔찌, 브로치 등으로 자주 만들어진다. 다양한 형태로 조각되거나 금속 세공에 상감될 수 있으며, 종종 금, 은 또는 보석과 조합된다. 이 재료는 자연스러운 광택과 흰색, 크림색, 분홍색, 녹색 등 미묘한 색상 변화로 평가받는다.

 악기 
진주층 상감은 종종 악기의 건반 및 기타 장식 모티프에 사용된다. 많은 아코디언과 콘서티나 몸체는 완전히 진주층으로 덮여 있으며, 일부 기타는 지판이나 헤드스톡 상감이 진주층(또는 모조 진주모양 플라스틱 상감)으로 되어 있다. 부주키와 바글라마스(그리스의 류트 계열 현악기)는 일반적으로 진주층 장식이 특징이며, 관련 중동 악기인 우드도 마찬가지다(일반적으로 사운드홀 주변과 악기 뒷면에). 바이올린과 첼로와 같은 현악기의 활은 종종 개구부에 자개 상감을 가지고 있다. 전통적으로 색소폰 건반 터치뿐만 아니라 트럼펫 및 기타 황동 악기의 밸브 버튼에도 사용된다. 중동의 고블렛 드럼(다르부카)은 일반적으로 자개로 장식된다.

 인도의 자개 예술 
19세기 말, 아누쿨 문시(Anukul Munsi)는 굴 껍데기를 성공적으로 조각하여 인간의 형상을 만든 최초의 숙련된 예술가였으며, 이는 인도 현대 예술의 새로운 지평을 열었다. 그는 1924년 대영 제국 전시회에서 금메달을 받았다. 그의 장남 안나다 문시는 인도 광고 형태로 인도 스와데시 운동을 그린 것으로 인정받고 있다. 아누쿨 차란 문시의 셋째 아들 마누 문시는 20세기 중반 가장 훌륭한 자개 예술가 중 한 명이었다. "벵골의 차루와 카루 예술"의 가장 좋은 예로, 전 서벵골주의 주총리, 비단 찬드라 로이 박사는 마누의 작품인 "간디의 노아칼리 아비얀"을 미국으로 보냈다. 사티야지트 레이, 비단 찬드라 로이, 변호사 수보드 찬드라 로이, 수보 타골, 후마윤 카비르, 제항기르 카비르와 그의 형 안나다 문시를 포함한 수많은 저명한 인물들이 그의 예술 작품의 후원자였다. "인디라 간디"는 그의 유명한 자개 예술 작품 중 하나였다. 그는 금속판에 능숙하게 조각된 다양한 창의적인 자세로 타골을 묘사한 것으로 인정받고 있다. 그의 사촌인 프라팁 문시(Pratip Munshi)도 유명한 자개 예술가였다.

 기타 
자개 단추는 기능적 또는 장식적 목적으로 의류에 사용된다. 펄리 킹스 앤 퀸스는 이에 대한 정교한 예이다.

자개는 때때로 캐비아용 숟가락 모양의 도구(예: 캐비아 서버)를 만드는 데 사용되는데, 이는 금속 숟가락으로 인해 맛을 해치지 않기 위함이다.

 제조된 진주층 
2012년, 연구원들은 진주층의 자연적인 성장 과정을 모방하여 실험실에서 칼슘 기반 진주층을 만들었다.

2014년, 연구원들은 레이저를 사용하여 유리 내부에 물결 모양의 3D "미세 균열" 네트워크를 새겨 진주층과 유사한 물질을 만들었다. 이 슬라이드가 충격을 받았을 때, 미세 균열은 에너지를 흡수하고 분산시켜 유리가 깨지는 것을 방지했다. 전체적으로 처리된 유리는 처리되지 않은 유리보다 200배 더 강한 것으로 보고되었다.

 같이 보기 
 암모나이트
 베들레헴의 자개 조각
 서호주의 진주 채취
 라덴

 각주 

 더 읽어보기 
 
 
 Checa, Antonio G.; Julyan H. E. Cartwright, Marc-Georg Willinger and Steven M. Stanley (Jan. 6, 2009), "The Key Role of the Surface Membrane in Why Gastropod Nacre Grows in Towers"; Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, Vol. 106, No. 1. .
 
 
 

 외부 링크 

 스테이튼 아일랜드 역사 협회 온라인 컬렉션 데이터베이스의 자개 관련 개체

분류:진주