【精品文章】科学家与新型碳酸钙“不期而遇”

发布于:2021-10-16 12:40:24

科学家与新型碳酸钙“不期而遇” 碳酸钙是自然界中最广泛存在的矿物之一,存在于白垩、石灰岩、大理 石等岩石内,也是动物骨骼或外壳的主要成分。CaCO3 是许多工业生产过程 中的重要原料,在全球碳循环过程中起至关重要的作用。 ? ? 一个多世纪以来,已知的 CaCO3 只有三种无水晶相 方解石、文石和球霰 石,以及两种含水晶相 一水碳酸钙(CaCO3 1H2O)和六水碳酸钙(CaCO3 6H2O)。除了以晶体形式存在之外,CaCO3 也以多种不同结构和含水量的无 定形状态存在,称为无定形碳酸钙。 ? ? 1 月 25 日,武汉理工大学材料复合新技术国家重点实验室副研究员邹朝勇 在《科学》发表报告称,他们研究镁离子在无定形碳酸*峋Ч讨械淖饔 时,意外发现了一种新型含水碳酸钙晶相 半水碳酸钙(CaCO3 1 2H2O),为 碳酸钙家族迎来了第三个 家庭成员 水合晶体相。 ? ? 出人意料 发现碳酸钙新晶相 ? ? *年来,许多生物体内发现了热力学不稳定的无定形碳酸钙(ACC),既 往研究表明,ACC 在碳酸钙生物矿物的形成过程中起重要作用。例如,在海 洋软体动物的外壳及珊瑚礁的形成过程中发现了 ACC 的存在。 ? ? 因此,在离子溶液晶体的成核和生长机理领域,ACC 作为一种重要的模 型被广泛研究。然而,ACC 的形成机理、稳定性,及其作为前驱体在结晶转 化过程中的作用机制仍不清楚。 邹朝勇向《中国科学报》介绍。 ? ? 然而,邹朝勇等人在研究镁离子对 ACC 的形成和结晶转化过程的影响 时,却意外发现了一种新型含水碳酸钙晶相 半水碳酸钙。 ? ? 半水碳酸钙由直径约为 200nm、长度约为 5 m 的针状晶体组成,其红外、 拉曼光谱以及高分辨 X 射线粉末衍射图谱与目前所有已知的碳酸钙物相均不 相同。其中最突出的特点是 CO3 基团的对称振动模式所对应的拉曼峰在 1102cm-1,显著高于其他碳酸钙物相。 ? ? ? ? 半水碳酸钙的形貌和结构表征。(A)扫描电子显微图、(B)透射电子显 微图、(C)红外光谱、(D)拉曼光谱、(E)高分辨 X 射线粉末衍射图谱。 (图片来源于论文) ? ? 揭开面纱 新型碳酸钙由此得来 ? ? 通过对半水碳酸钙的形成和转化过程进行系统性研究,研究人员发现半水 碳酸钙是以约含 1 个水分子的 ACC 为前驱体,在特定的镁离子浓度条件下失 水结晶转化形成。 ? ? 研究人员利用自动电位滴定仪,实时监测溶液内的化学变化,观测离子浓 度和 pH 值,捕捉反应的中间状态,发现半水碳酸钙的形成条件具有一定的 特殊性。室温条件下,ACC 作为反应前驱体,溶液中镁离子与钙离子的摩尔 比需达到 4~6,且 pH 值约为 11。 ? ? 邹朝勇表示,在这样的条件下,半水碳酸钙才能形成。 有意思的是,反 应条件中,Mg2+/Ca2+摩尔比与目前海水中的 Mg2+/Ca2+摩尔比相*(海水 中约为 5.2)。这表示,半水碳酸钙很有可能存在于自然界中。 邹朝勇说。 ? ? 然而,半水碳酸钙处于亚稳态,能否稳定存在取决于外部环境条件。在水 溶液中,半水碳酸钙会重新吸水转化为含有 1 个水分子的一水碳酸钙晶体; 潮湿环境中,半水碳酸钙在两三天内即可转化;干燥环境中,半水碳酸钙可 以稳定存在半年以上。 ? ? 对此,浙江大学化学系教授唐睿康在接受《中国科学报》采访时表示,正 如文章指出,半水碳酸钙形成的特定条件与生物自然界的环境条件很接*, 因而,半水碳酸钙的发现或有助于揭示自然界中碳酸钙的演变过程。 ? ? 此外,这也启示我们需要重新审视实验室模型的合理性。 唐睿康说。 ? ? 意义非凡 拓宽碳酸钙新视界 ? ? 正如研究人员所说,虽然半水碳酸钙目前只在实验室内被发现,但由于其 温和的合成条件,这种晶体也很有可能存在于自然界或一些工业生产过程 中。 ? ? 因此,该研究不仅拓宽了我们对碳酸钙家族的认识,同时也展示了不稳定 的无定形前驱体在形成新材料过程中的重要作用,这对生物矿化、地质学和 工业生产等方面都有重要意义。 邹朝勇告诉记者。 ? ? 对此,唐睿康认为,这种全新的碳酸钙晶相是碳酸钙相变转化的一个中间 过程。该中间态的发现,有助于进一步理解生物矿化中 ACC 的结构演变过 程,有利于研究过程中更好地控制物质演变。(tips:感谢大家的阅读,本文由 我司收集整编。仅供参阅!

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