软体动物的贝壳和珍珠一直以来都是生物矿化材料的典型代表,它们具有与众不同的光学效果,并且强度和韧性均比其主要组成材料-CaCO3-高出数倍。这些卓越的性质使得越来越多的科学家展开对贝壳材料的研究。然而,珍珠的生长机制和光学效果却很少受到关注,因此人们对珍珠的认识还不甚清晰。本文从珍珠的结构和光学效果出发,利用显微技术分别研究了珍珠的微观结构生长机制和光学效果,并进一步阐释了珍珠微观结构和光学效果的产生机制。我们还通过CaCl2和(NH2)2CO的混合溶液进行了CaCO3的合成实验。首先,我们利用扫描电子显微镜、拉曼光谱仪、透射电子显微镜和原子力显微镜研究了珍珠初期生长和后续砖墙状结构的形成机制。首次发现了珍珠形成初期的另一种矿物相,即辐射针状文石相；经过测试又进一步证实,这种辐射针状文石相是由文石纳米晶畴组成的。由此我们提出了珍珠形成初期的两种可能的生长机制。在后续文石板片“砖墙状”结构形成机制的研究中,我们发现文石板片并非单晶而是由有机质分隔的文石纳米晶畴组成,除了早期发现的纳米颗粒状晶畴,我们还发现了另一种纳米条纹状的晶畴。鉴于有机质的穿晶生长,我们重新考虑了文石板片“砖墙状”结构的形成机理,提出了一种矿化机制对此加以阐释。然后,我们利用激光共聚焦显微镜结合高分辨扫描电子显微镜和原子力显微镜研究了珍珠光学表现(包括光学特征、体色和结构致色)与其微观结构的关系。珍珠的光学特征分为以下三类：1)反射-衍射光谱形成的光源的投影；2)围绕光源投影的彩色光环；3)回音廊效应,即珍珠外围发光效应。通过对珍珠结构的观察,我们发现第一种光学特征的产生是由于表面漫反射的作用,多层干涉和光栅结构的衍射对此几乎没有贡献。通过原子力显微镜对珍珠结构进一步的测试发现,珍珠表层文石板片并非单晶而是由很多被有机质分隔的纳米晶畴构成,这种结构最终导致了第二种光学特征,即彩色漫射光环的产生。至于第三种光学特征,则是由于文石板片的“砖墙状”多级结构导致的。当入射光照射到珍珠表层时,光线将会被靠近表面的几层结构连续反射而非穿透整个珍珠,所以即使在没有光照射到的珍珠外围也会有亮光产生。为了获得珍珠体色与结构的关系,我们利用拉曼光谱仪和高分辨扫描电子显微镜对四种不同体色的淡水养殖珍珠进行了测试和观察,发现不同体色珍珠表面和剖面的断裂面形貌都不同。白色和黄色珍珠表面具有相对比较整齐的生长台阶,而紫罗兰色和紫色珍珠表面的生长台阶杂乱无章。尤其是紫色珍珠,不仅生长台阶不平行整齐,而且存在台阶聚并现象以及缺陷。对于珍珠剖面的断裂面的观察,发现白色和黄色珍珠的文石板片层厚度约为200nm～400nm;而紫罗兰色和紫色珍珠的约为100nm～300nm,且排列更致密。进一步对剖面进行EDTA腐蚀后发现,珍珠文石板片层之间的CaCO3首先被腐蚀,之后在片层之间留下网格状的有机质；紫罗兰色珍珠的最易被腐蚀,而紫色珍珠最难被腐蚀,由此判断紫色珍珠的结构致密性明显优于其他颜色珍珠。我们还研究了一粒具有黄绿色伴色的紫色珍珠的结构致色机理。我们利用高分辨扫描电子显微镜测试观察其表面结构,发现该粒珍珠表层具有六边形套构的多级光子晶体结构。利用时域差分方法对这种六方嵌套多级结构和“砖墙状”多层结构进行了模拟计算。计算结果表明,该粒珍珠黄绿色伴色是由于表层六方嵌套结构导致的。最后,我们在实验室环境下利用CaCl2和(NH2)2CO的混合溶液进行了CaCO3合成探索,研究了温度、PH值等环境因素对反应产物的影响。实验结果表明,在温度80℃和PH=8的条件下更容易获得文石晶体。但是,一般很难获得纯的文石。通过向CaCl2和(NH2)2CO混合溶液中添加正硅酸四乙酯,我们可以通过控制水解缩聚及合成反应过程来控制CaCO3产物的结构形态。在室温下(22℃),我们通过电机匀速搅拌获得了牡丹花状的方解石团聚体,而在80℃下不加搅拌则可以得到菊花状针形文石的团聚体。我们还在介孔状硅胶的支撑下获得了稳定的无定形碳酸钙。介孔硅胶是通过控制正硅酸四乙酯水解缩聚的条件而得到的。激光共聚焦显微镜观察结果显示,CaCO3产物呈现十字叉状或花朵状的分支结构。拉曼光谱测试结果和扫描电子显微镜观察结果均表明这种分支结构是由稳定的无定形碳酸钙和介孔硅胶复合而成。由此,我们提出了一种生长机制来解释上述产物的形成原因。本项研究对于无定形碳酸钙储存、晶体工程学和生物仿生合成均具有一定的意义。