Ученые записали на камеру рождение минерала

Фото: pnnl.gov

Ученые записали на видео, в реальном времени, зарождение кристаллов из нескольких молекул карбоната кальция (CaCO3). Это химическое вещество является главным компонентом известняка, мрамора, мела, кораллов, раковин и жемчужин, а также крупнейшим источником углерода на планете. Новое исследование представлено на страницах журнала Science. Коротко о нем сообщается в пресс-релизе Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории Министерства энергетики США.

Ученые из Калифорнии зафиксировали первый этап образования минерала — нуклеацию, — когда молекулы собираются в крошечный кристалл, который начинает расти с большой скоростью. Нуклеация начинается мгновенно и непредсказуемо, поэтому исследователям понадобился микроскоп, который смог бы отслеживать состояние молекул постоянно в реальном времени.

Под микроскопом создали миниатюрную лабораторию, где смешали в воде гидрокарбонат кальция (пищевую соду) и хлорид кальция. При достаточной концентрации вещества начинался рост кристаллов. Оказывается, этот процесс проходит самыми разными путями. Некоторые кристаллы возникали в два этапа: сначала появлялись каплевидные частицы аморфного карбоната кальция (АКК), а затем на их поверхности — кристаллы арагонита или фатерита (минералов CaCO3, чья кристаллическая структуру отличается от кальцитовой). По мере появления новые кристаллы поглощали карбонат кальция из капли, на которой они рождались. Другие кристаллы формировались непосредственно из раствора, минуя стадию АКК. Иногда в одном эксперименте возникало множество форм: на вершине кристалла арагонита появлялся кальцит, пока рядом росли кристаллы фатерита.

Далее автор исследования Джеймс Де Йорео (James De Yoreo) собирается выяснить, как нуклеацию организуют живые организмы, строящие свои раковины и жемчужины. В клетках животных хранятся запасы минеральных веществ, и они способны запускать нуклеацию в нужное время. Ученый хотел бы узнать, какие молекулы в клетках регулируют этот процесс.

На видео: аморфный карбонат кальция (круг) формируется и растет, а затем превращается в арагонит, который быстро поглощает весь АКК.