許多生物都能產生礦物或礦化組織。一個著名的例子是珍珠質，它因具有彩虹般的色彩而被用於製作珠寶。從化學角度講，珍珠質的形成始於軟體動物從水中提取鈣和碳酸根離子。然而，專家們對形成珍珠質這種生物聚合物和結晶碳酸鈣小板的複合體的確切過程和條件爭論不休，有不同的理論。

研究人員一致認為，非晶中間體，如無定形碳酸鈣（ACC），在生物礦化過程中扮演至關重要的角色。例如，龍蝦和其他甲殼類動物會在胃裡儲存一定量的無定形碳酸鈣，在蛻皮後用來打造新的外殼。康斯坦茨大學（University of Konstanz）和漢諾威萊布尼茨大學（Leibniz University Hannover）的研究人員在最近發表於《自然-通訊》（Nature Communications）的一項研究中，成功​​破解了ACC的形成途徑。

Denis Gebauer（漢諾威萊布尼茨大學）和Guinevere Mathies（康斯坦茨大學）領導的研究人員利用了ACC不僅可以由生物體合成，也可以在實驗室合成這一事實。他們利用魔角旋轉核磁共振（MAS NMR）光譜等先進方法分析了微小的ACC顆粒，以確定其結構。

“我們一直在努力解釋ACC 的光譜。它們顯示了我們起初無法建立模型的動力學，”馬蒂斯說。漢諾威萊布尼茨大學的同事提供了一個重要線索。Gebauer 小組的Maxim Gindele 發現ACC 可以導電。由於ACC 顆粒非常脆弱，只有幾十奈米大小（約為頭髮絲粗細的千分之一），因此這並不像插入兩條導線那麼容易。測量採用了電導原子力顯微鏡（C-AFM），透過微型懸臂掃描平面上的ACC 粒子，並以雷射光束進行觀察。當懸臂放在其中一個奈米粒子上時，懸臂尖端會透過電流來測量電導率。

馬蒂斯研究小組的桑傑-維諾德-庫馬爾（Sanjay Vinod Kumar）根據電導率觀測結果，進一步進行了旨在探測動力學的MAS NMR 實驗。他們在ACC 粒子中發現了兩種截然不同的化學環境。

在第一種環境中，水分子嵌入堅硬的碳酸鈣中，只能進行180 度的翻轉。

第二種環境是水分子與溶解的氫氧根離子一起緩慢翻滾和平移。

「剩下的挑戰是如何將兩種環境與觀測到的導電性相協調。固體鹽是絕緣體，因此第二種流動環境必須發揮作用，」馬蒂斯說。在新模型中，移動水分子透過ACC 奈米粒子形成了一個網路。溶解的氫氧根離子攜帶電荷。

研究人員也解釋了兩種化學環境形成的原因：在水中，鈣離子和碳酸根離子往往會黏在一起，形成動態的集合體，稱為預核團。這些簇會發生相分離，形成緻密的液滴，而液滴又會合併成更大的聚集體–這與肥皂泡的凝聚過程類似。

“剛性、流動性較低的環境來自於緻密液態奈米液滴的核心。另一方面，流動的水分子網絡則是水滴表面在向固體ACC 脫水過程中不完全凝聚而形成的，”Gebauer 解釋說。

這些結果是朝向建立ACC 結構模型的重要一步。同時，它們也提供了確鑿的證據，證明礦化始於預成核簇。馬提斯總結說：「這不僅使我們更接近了解生物礦化的秘密，而且還可以應用於開發結合二氧化碳的膠凝材料，由於我們現在知道ACC 是一種導體，因此還可以應用於電化學設備。”

編譯來源：ScitechDaily