Результаты могут помочь ученым понять, как заблокировать углекислый газ из атмосферы, а также как лучше восстановить древний климат.«Карбонаты наиболее важны для того, что они представляют, взаимодействия между биологией и Землей», — сказал ведущий исследователь Джеймс Де Йорео, ученый-материаловед из PNNL. «В течение десяти лет мы изучали пути образования карбонатов с помощью мощных микроскопы, но у нас не было инструментов, чтобы наблюдать за формированием кристаллов в реальном времени. Теперь мы знаем, что эти пути намного сложнее, чем предполагалось в моделях, созданных в двадцатом веке ».Заповедник Земли
Карбонат кальция — крупнейший резервуар углерода на планете. Он встречается в скалах по всему миру, в раковинах существ, обитающих как на суше, так и в воде, а также в жемчуге, кораллах, мраморе и известняке. Когда углерод находится в карбонате кальция, он не висит в атмосфере в виде углекислого газа, нагревая мир. Понимание того, как карбонат кальция превращается в различные минералы, может помочь ученым контролировать его образование, чтобы углекислый газ не попадал в атмосферу.
Отложения карбоната кальция также содержат записи истории Земли. Исследователи, реконструирующие древний климат, копаются в минерале, чтобы записать температуру и состав атмосферы, условия окружающей среды и состояние океана в то время, когда эти минералы образовались.
Лучшее понимание путей его формирования, вероятно, поможет лучше понять эти события.Чтобы разобраться в образовании минералов, исследователи из PNNL, Калифорнийского университета в Беркли и Национальной лаборатории Лоуренса Беркли изучили самый ранний шаг к превращению в минерал, называемый зародышеобразованием.
В процессе зарождения молекулы собираются в крошечный кристалл, который затем растет с огромной скоростью. Зарождение зародышей было трудно изучать, потому что оно происходит внезапно и непредсказуемо, поэтому ученым понадобился микроскоп, который мог бы наблюдать за процессом в режиме реального времени.
Приходите на заказВ 20 веке исследователи установили теорию, согласно которой кристаллы формируются упорядоченным образом. После того, как упорядоченное ядро ??сформировалось, к кристаллу добавлялись новые молекулы, увеличивая минерал, но не изменяя его структуру. Однако недавно ученые задались вопросом, может ли процесс быть более сложным, если другие факторы способствуют образованию минералов.
Например, в предыдущих экспериментах они видели формы карбоната кальция, которые кажутся плотными жидкостями, которые могут быть источниками минералов.Исследователи также задались вопросом, образуется ли кальцит из менее стабильных разновидностей или непосредственно из кальция и карбоната, растворенных в жидкости.
Арагонит и фатерит представляют собой минералы карбоната кальция с несколько иной кристаллической структурой, чем кальцит, и могут представлять собой этап образования кальцита. Четвертая форма, называемая аморфным карбонатом кальция, или АСС, которая может быть жидкой или твердой, также может быть резервуаром для прорастающих минералов.
Чтобы выяснить это, команда создала миниатюрную лабораторию под просвечивающим электронным микроскопом в Molecular Foundry, учреждении Министерства энергетики США по научным исследованиям в LBNL. В этой миниатюрной лаборатории они смешали бикарбонат натрия (из которого делают клубную газировку) и хлорид кальция (похожий на поваренную соль) в воду.
При достаточно высоких концентрациях кристаллы росли. Видео о зарождении и выращивании кристаллов записали, что произошло [будущие URL-адреса].Морфирующие минералыВидео показали, что рост минералов происходил разными путями.
Некоторые кристаллы образуются в результате двухэтапного процесса. Например, образовывались каплевидные частицы АЦК, затем на поверхности капель появлялись кристаллы арагонита или ватерита.
По мере образования новых кристаллов они потребляли карбонат кальция в капле, на которой они образовались.Другие кристаллы образовывались непосредственно из раствора, появляясь сами по себе вдали от любых частиц ACC. Множественные формы часто зарождались в одном эксперименте — по крайней мере, один кристалл кальцита образовался на вершине кристалла арагонита, в то время как кристаллы ватерита росли поблизости.Однако команда не увидела среди множества вариантов кальцита, образующегося из ACC, хотя исследователи ожидают, что это произойдет.
Означает ли это, что этого никогда не произойдет, Де Йорео не может сказать наверняка. Но, посмотрев на сотни событий нуклеации, он сказал, что это очень маловероятное событие.«Это первый раз, когда мы непосредственно визуализировали процесс формирования», — сказал Де Йорео. «Мы наблюдали множество путей, происходящих одновременно.
И они происходили случайным образом. Мы никогда не могли предсказать, что будет дальше. Чтобы контролировать процесс, нам нужно было бы ввести какой-то шаблон, который может определять, какие формы кристаллов и где."В своей будущей работе Де Йорео и его коллеги планируют исследовать, как живые организмы контролируют процесс зародышеобразования для создания своих раковин и жемчужин.
Биологические организмы хранят запас минеральных компонентов в своих клетках и разработали способы, чтобы зародышеобразование происходило тогда и там, где это необходимо. Команде любопытно узнать, как они используют клеточные молекулы для достижения этого контроля.
Эта работа была поддержана Управлением науки Министерства энергетики США.