Результаты показывают, что такие сгустки включаются в результате химического взаимодействия с атомами в кристаллах, что является неожиданным механизмом, основанным на предыдущем понимании. Предоставляя понимание образования природных минералов, которые представляют собой смесь как мягких, так и твердых компонентов, эта работа поможет ученым разработать новые материалы для устойчивого энергетического будущего на основе этого принципа.
«Эта работа помогает нам понять, как из довольно слабых кристаллов могут образовываться композитные материалы с замечательными механическими свойствами», — сказал материаловед Джим Де Йорео из Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории Министерства энергетики США. «Это также дает нам идеи по улавливанию углекислого газа в полезных материалах, чтобы справиться с избыточными парниковыми газами, которые мы выбрасываем в атмосферу, или для включения светочувствительных наночастиц в высокоупорядоченные кристаллические матрицы для применения в солнечной энергии».Красиво и функционально
Карбонат кальция — один из важнейших материалов на Земле, кристаллизующийся в мел, ракушки и камни. Животные, от моллюсков до людей, используют карбонат кальция для производства биоминералов, таких как жемчуг, ракушки, экзоскелеты или крошечные органы в ушах, которые поддерживают баланс. Эти биоминералы включают белки или другие органические вещества в кристаллической матрице для преобразования слабого карбоната кальция в твердые и долговечные материалы.
Ученые изучали, как организмы производят эти биоминералы, в надежде определить основные геохимические принципы их образования, а также способы создания синтетических материалов с уникальными свойствами любой желаемой формы и размера.Прочность материала зависит от того, насколько легко разрушить лежащую в его основе кристаллическую матрицу.
Если материал сжат, то разбить матрицу на части становится труднее. Белки, захваченные кристаллами карбоната кальция, создают сжимающую силу — или деформацию — в кристаллической структуре.В отличие от напряжения, которое вызывает болезненные ощущения в мышцах, это напряжение сжатия полезно для материалов, поскольку оно затрудняет нарушение основной кристаллической структуры, тем самым добавляя прочности.
Ученые понимают, как силы, напряжение и деформация объединяются для создания прочных материалов, но они меньше понимают, как создавать эти материалы в первую очередь.Жемчужины мудростиОсновное объяснение того, как растущие кристаллы включают белки и другие частицы, дает простая механика.
Частицы приземляются на плоскую поверхность карбоната кальция во время его кристаллизации, а единицы карбоната кальция прикрепляются к частицам и вокруг них, захватывая их.«Стандартное представление состоит в том, что фронт кристалла движется слишком быстро, чтобы включения могли уйти с пути, как волна, омывающая скалу», — сказал Де Йорео.
Недостаток этой идеи состоит в том, что в ней отсутствуют детали, необходимые для объяснения причин возникновения деформации в материале. Однако новые результаты Де Йорео и его коллег верны.«Мы нашли совершенно другой механизм», — сказал он.Чтобы выяснить, как карбонат кальция включает в себя белки или другие компоненты, повышающие силу, команда обратилась к атомно-силовой микроскопии, также известной как АСМ, в Molecular Foundry, лаборатории Министерства энергетики США в Национальной лаборатории Лоуренса Беркли.
В АСМ наконечник микроскопа аккуратно проходит по поверхности образца, как игла, проходящая по канавкам на виниловой пластинке. Это создает трехмерное изображение образца под прицелом.
Команда использовала карбонат кальция с высокой концентрацией, который естественным образом образует кристаллический минерал, известный как кальцит. Кальцит накапливается слоями, создавая в процессе роста неровные поверхности, такие как ступени и террасы на склоне горы. Или представьте себе лестницу. Терраса — плоская площадка внизу; ступени лестницы имеют вертикальные края, из которых вырастает кальцит, который со временем тоже превращается в террасы.
Для их включений команда создала сферы из органических молекул и добавила их в смесь. Эти сферы, называемые мицеллами, представляют собой молекулы, которые свертываются, как толстые жуки, в зависимости от химического состава их тел — обращенные наружу части их молекул, которые хорошо взаимодействуют химически как с окружающей водой, так и с кальцитом, а внутри находятся части. которые не ладят с водянистой средой.
Лучшие композиты благодаря химииПервое, что команда заметила под микроскопом, это то, что мицеллы не попадают на плоские террасы случайным образом. Вместо этого они держатся только за края ступенек.«На краю ступеньки есть химия, а на террасе нет», — сказал Де Йорео. «Есть эти лишние оборванные связи, с которыми мицеллы могут взаимодействовать».
Края удерживаются на мицеллах, когда ступени карбоната кальция замыкаются вокруг них одна за другой. Команда наблюдала, как растущие ступени сжимают мицеллы. Когда ступенька закрылась вокруг вершины мицеллы, сначала образовалась полость, а затем она полностью исчезла под поверхностью растущего кристалла.
Чтобы убедиться, что мицеллы действительно погребены внутри кристаллов, команда растворила кристалл и снова посмотрела. Как и при просмотре фильма в обратном направлении, команда увидела мицеллы, появляющиеся по мере того, как слои кристаллов исчезали.
Наконец, команда воссоздала этот процесс с помощью математического моделирования. Это показало им, что мицеллы — или любые сферические включения — сжимаются, как пружины, когда ступени смыкаются вокруг них. Эти сжатые пружины затем создают напряжение в кристаллической решетке между мицеллами, что приводит к повышению механической прочности. Этот штамм, вероятно, объясняет добавленную силу морских ракушек, жемчуга и подобных биоминералов.
«Ступеньки захватывают мицеллы по химической, а не механической причине, и в результате сжатия мицелл ступенями возникают силы, которые объясняют, откуда берется сила», — сказал Де Йорео.Эта работа была поддержана Управлением науки Министерства энергетики США и Национальными институтами здравоохранения.