Gewang

Gewang atau induk mutiara (bahasa Inggris: nacre) adalah bahan komposit organik–anorganik yang diproduksi oleh beberapa moluska sebagai lapisan cangkang bagian dalam. Ini juga merupakan bahan penyusun mutiara. Sifatnya kuat, tangguh, dan berwarna-warni.

Gewang warna-warni di dalam cangkang bia gengge

Cangkang gegiwang diolah menjadi objek dekoratif

Gewang ditemukan di beberapa garis keturunan paling kuno dari bivalvia, gastropoda, dan sefalopoda. Akan tetapi, lapisan dalam pada sebagian besar cangkang moluska berbentuk porselen, bukan mutiara, dan hal ini biasanya menghasilkan kilau yang tidak berwarna, atau lebih jarang lagi pada warna yang tidak mengandung mutiara seperti struktur api seperti yang ditemukan pada mutiara keong.

Lapisan luar mutiara budidaya dan lapisan dalam tiram mutiara serta cangkang kerang mutiara air tawar terbuat dari gewang. Keluarga moluska lain yang memiliki lapisan cangkang dalam yang mengandung gewang termasuk gastropoda laut seperti Haliotidae, Trochidae, dan Turbinidae.

Karakter fisik

Struktur dan penampilan

Skema struktur mikroskopis lapisan gewang

Gambar mikroskop elektron dari permukaan gewang yang retak

Gewang terdiri dari trombosit heksagonal aragonit (suatu bentuk kalsium karbonat ) 10–20 lebar µm dan 0,5 tebal µm tersusun dalam lamina paralel berkesinambungan. Tergantung pada spesiesnya, bentuk tabletnya berbeda-beda; di Pinna, tablet berbentuk persegi panjang, dengan sektor simetris yang kurang lebih dapat larut. Apapun bentuk tabletnya, unit terkecil yang dikandungnya adalah butiran bulat tidak beraturan. Lapisan-lapisan ini dipisahkan oleh lembaran matriks organik (antarmuka) yang terdiri dari biopolimer elastis (seperti kitin, kilau, dan protein mirip sutra ).

Gewang tampak berwarna-warni karena ketebalan trombosit aragonit mendekati panjang gelombang cahaya tampak. Struktur ini berinterferensi secara konstruktif dan destruktif dengan panjang gelombang cahaya berbeda pada sudut pandang berbeda, sehingga menciptakan warna struktural .

Sumbu c kristalografi menunjuk kira-kira tegak lurus terhadap dinding cangkang, tetapi arah sumbu lainnya bervariasi antar kelompok. Tablet yang berdekatan telah terbukti memiliki orientasi sumbu c yang sangat berbeda, umumnya berorientasi acak dalam ~20° vertikal. Pada bivalvia dan cephalopoda, sumbu b menunjuk ke arah tumbuhnya cangkang, sedangkan pada monoplacophora sumbu a mengarah ke arah ini.

Sifat mekanis

Campuran trombosit yang rapuh dan lapisan tipis biopolimer elastis membuat bahan tersebut kuat dan tangguh, dengan modulus Young sebesar 70 GPa dan tegangan luluh sekitar 70 MPa (saat kering). Kekuatan dan ketahanan juga kemungkinan disebabkan oleh adhesi oleh susunan “bata” trombosit, yang menghambat perambatan retakan melintang. Struktur ini, yang mencakup berbagai ukuran panjang, sangat meningkatkan ketangguhannya, membuatnya hampir sekuat silikon . Antarmuka mineral-organik menghasilkan peningkatan ketahanan dan kekuatan lapisan organik. Saling mengunci batu bata gewang berdampak besar baik pada mekanisme deformasi maupun ketangguhannya. Uji tarik, geser, dan kompresi, analisis Weibull, nanoindentasi, dan teknik lainnya semuanya telah digunakan untuk menyelidiki sifat mekanik gewang. Metode teoritis dan komputasi juga telah dikembangkan untuk menjelaskan pengamatan eksperimental perilaku mekanik gewang. Gewang lebih kuat pada beban tekan dibandingkan beban tarik bila gaya diterapkan sejajar atau tegak lurus terhadap trombosit. Sebagai struktur yang berorientasi, gewang sangat anisotropik sehingga sifat mekaniknya juga bergantung pada arah.

Berbagai mekanisme ketangguhan bertanggung jawab atas perilaku mekanis gewang. Daya rekat yang diperlukan untuk memisahkan fase protein dan aragonit tinggi, menunjukkan adanya interaksi molekuler antar komponen. Pada struktur laminasi dengan lapisan keras dan lunak, sistem model yang dapat diterapkan untuk memahami gewang, energi patah dan kekuatan patah keduanya lebih besar dibandingkan nilai karakteristik material keras saja. Secara khusus, struktur ini memfasilitasi defleksi retak, karena lebih mudah bagi retakan untuk melanjutkan ke dalam matriks organik yang viskoelastik dan sesuai dibandingkan langsung ke trombosit aragonit lainnya. Hal ini menyebabkan deformasi fase protein ulet sehingga retakan berubah arah dan menghindari fase keramik yang rapuh . Berdasarkan percobaan yang dilakukan pada bahan sintetik mirip gewang, dihipotesiskan bahwa matriks yang memenuhi persyaratan perlu memiliki energi rekahan yang lebih besar daripada energi elastis pada rekahan fase keras. Pencabutan serat, yang terjadi pada material komposit keramik lainnya, berkontribusi terhadap fenomena ini. Berbeda dengan komposit sintetik tradisional, aragonit dalam bentuk nacre menjembatani antar tablet, sehingga strukturnya tidak hanya disatukan oleh adhesi yang kuat dari fase keramik ke fase organik, namun juga oleh fitur-fitur skala nano yang menghubungkan ini. Ketika deformasi plastis dimulai, jembatan mineral dapat pecah, menciptakan lubang-lubang kecil yang membuat antarmuka protein-aragonit menjadi kasar. Gesekan tambahan yang dihasilkan oleh asperitas membantu material menahan tegangan geser. Pada komposit mirip gewang, jembatan mineral juga terbukti meningkatkan kekuatan lentur material karena dapat mentransfer tegangan pada material. Mengembangkan komposit sintetik yang menunjukkan sifat mekanik serupa dengan gewang menjadi perhatian para ilmuwan yang berupaya mengembangkan material yang lebih kuat. Untuk mencapai efek ini, para peneliti mengambil inspirasi dari gewang dan menggunakan keramik dan polimer sintetis untuk meniru struktur bata dan lepa, jembatan mineral, dan fitur hierarki lainnya.

Ketika mengalami dehidrasi, gewang kehilangan sebagian besar kekuatannya dan bertindak sebagai bahan yang rapuh, seperti aragonit murni. Kekerasan bahan ini juga dipengaruhi secara negatif oleh dehidrasi. Air bertindak sebagai pemlastis matriks organik, meningkatkan ketangguhannya dan mengurangi modulus gesernya. Menghidrasi lapisan protein juga menurunkan modulus Young, yang diharapkan dapat meningkatkan energi rekahan dan kekuatan komposit dengan lapisan keras dan lunak secara bergantian.

Variasi statistik trombosit mempunyai efek negatif terhadap kinerja mekanik (kekakuan, kekuatan, dan penyerapan energi) karena variasi statistik mempercepat lokalisasi deformasi. Namun, efek negatif dari variasi statistik dapat diimbangi dengan antarmuka dengan regangan besar pada saat kegagalan disertai dengan pengerasan regangan. Di sisi lain, ketangguhan patah gewang meningkat dengan variasi statistik sedang yang menciptakan daerah keras di mana retakan tersebut terjepit. Namun, variasi statistik yang lebih tinggi menghasilkan daerah yang sangat lemah yang memungkinkan retakan merambat tanpa banyak hambatan yang menyebabkan ketangguhan patahan menurun. Penelitian telah menunjukkan bahwa cacat struktural yang lemah ini bertindak sebagai cacat topologi disipatif yang digabungkan dengan penyimpangan elastis.

Pembentukan

Proses terbentuknya gewang tidak sepenuhnya jelas. Ini telah diamati di Pinna nobilis, yang dimulai sebagai partikel kecil (~50–80 nm) yang berkumpul bersama di dalam bahan alami. Partikel-partikel ini berbaris menyerupai serat, dan terus berkembang biak. Ketika terdapat cukup partikel, mereka berkumpul untuk membentuk tahap awal gewang. Pertumbuhan gewang diatur oleh zat organik yang menentukan bagaimana dan kapan kristal gewang mulai dan berkembang.

Setiap kristal, yang dapat dianggap sebagai "batu bata", diperkirakan tumbuh dengan cepat untuk menyamai tinggi seluruh lapisan gewang. Mereka terus berkembang hingga bertemu dengan batu bata di sekitarnya. Hal ini menghasilkan karakteristik gewang yang berbentuk heksagonal. Pertumbuhan batu bata ini dapat dimulai dengan berbagai cara seperti dari unsur-unsur yang tersebar secara acak di dalam lapisan organik, susunan protein yang terdefinisi dengan baik, atau dapat berkembang dari jembatan mineral yang berasal dari lapisan di bawahnya.

Yang membedakan gewang dengan aragonit berserat, mineral yang bentuknya serupa namun rapuh, adalah kecepatan pertumbuhannya ke arah tertentu (kira-kira tegak lurus terhadap cangkang). Pertumbuhan ini lambat pada gewang, namun cepat pada aragonit berserat.

Sebuah makalah tahun 2021 di Nature Physics meneliti nacre dari Unio pictorum, mencatat bahwa dalam setiap kasus, lapisan awal gewang yang dibentuk oleh organisme mengandung cacat spiral. Cacat yang berputar ke arah berlawanan menciptakan distorsi pada material yang menariknya ke arah satu sama lain saat lapisan-lapisan tersebut menumpuk hingga menyatu dan saling menghilangkan. Lapisan gewang kemudian ditemukan seragam dan strukturnya teratur.  

Fungsi

Cangkang fosil nautiloid dengan nacre warna-warni asli dalam batu kapur aspal fosil, Oklahoma . Berasal dari Pennsylvania Tengah akhir, yang menjadikannya deposit tertua di dunia dengan fosil cangkang mutiara aragonitik.

Gewang disekresikan oleh sel epitel jaringan mantel berbagai moluska. Nacre terus-menerus diendapkan ke permukaan bagian dalam cangkang, lapisan nacreous warna-warni, yang umumnya dikenal sebagai induk mutiara . Lapisan gewang menghaluskan permukaan cangkang dan membantu mempertahankan jaringan lunak dari parasit dan puing-puing yang merusak dengan menguburnya dalam lapisan gewang yang berurutan, membentuk mutiara melepuh yang menempel di bagian dalam cangkang, atau mutiara bebas di dalam jaringan mantel. Proses ini disebut encystation dan terus berlanjut selama moluska hidup.