Аморфный карбонат кальция
Аморфный карбонат кальция (АКК) представляет собой аморфную и наименее стабильную полиморфную модификацию карбоната кальция . ACC крайне нестабилен в нормальных условиях и в природе встречается в таких разнообразных таксонах, как морские ежи , кораллы , моллюски и фораминиферы . [1] [2] [3] Обычно он встречается в виде моногидрата, имеющего химическую формулу CaCO 3 ·H 2 O; однако он также может существовать в обезвоженном состоянии CaCO 3 . АСС известен науке уже более 100 лет, когда Штурке Герман обнаружил недифракционную картину карбоната кальция, демонстрирующую его плохо упорядоченную природу. [4]
АСС является примером кристаллизации путем прикрепления частиц (CPA), когда кристаллы образуются путем добавления частиц, начиная от многоионных комплексов и заканчивая полностью сформированными нанокристаллами. [5] Исследования таких систем имеют разнообразное применение; однако нынешнее отсутствие однозначных ответов на фундаментальные вопросы (т.е. произведение растворимости, межфазные силы, структура и т. д.) приводит к тому, что они становятся темами исследований в самых разных областях - от химии, геологии, биологии, физики и материаловедения. [6] [5]
Стабильность
[ редактировать ]АСС является шестым и наименее стабильным полиморфом карбоната кальция . Остальные пять полиморфов (по убывающей стабильности): кальцит , арагонит , ватерит , моногидрокальцит и икаит . При смешивании двух перенасыщенных растворов хлорида кальция и карбоната натрия (или бикарбонатов натрия) эти полиморфы будут выпадать в осадок из раствора в соответствии с правилом шагов Оствальда , которое гласит, что наименее стабильный полиморф выпадает в осадок первым. Но хотя АСС является первым продуктом, который выпадает в осадок, он быстро превращается в один из наиболее стабильных полиморфов за считанные секунды. [7] [8] В чистом CaCO 3 АСС за считанные секунды превращается в одну из кристаллических полиморфных модификаций карбоната кальция. Предполагается, что это превращение из аморфного состояния в кристаллическое является механизмом растворения-переосаждения. [3] Несмотря на крайне нестабильную природу АСС, некоторые организмы способны производить стабильный АСС. Например, американский омар Homarus americanus поддерживает стабильный ACC на протяжении всего годового цикла линьки. [2] Исследования биогенного АСС также показали, что эти стабильные формы АСС гидратируются, тогда как временные формы - нет. Судя по наблюдениям за ростом спикул у морских ежей, кажется, что АСС откладывается в месте роста новых минералов, где он затем обезвоживается и превращается в кальцит. [2]
В биологии
[ редактировать ]Некоторые организмы разработали методы стабилизации АСС с помощью специализированных белков для различных целей. Предполагается, что функция ACC у этих видов заключается в хранении/транспортировке материалов для биоминерализации или улучшения физических свойств, но достоверность таких выводов еще предстоит определить. Известно, что дождевые черви, некоторые виды двустворчатых моллюсков и некоторые виды брюхоногих моллюсков производят очень стабильный ACC. [2] [9] АСС широко используется ракообразными для придания жесткости экзоскелету, а также для хранения кальция в гастролитах во время цикла линьки. Здесь польза от использования ACC может заключаться не в физической силе, а в периодической необходимости растворения экзоскелета для линьки. [2] Морские ежи и их личинки используют временную форму АСС при формировании спикул. Новый материал спикулы, гидратированная форма АСС, транспортируется и откладывается на внешних краях спикулы. Затем осажденный материал АСС·H 2 O быстро дегидратируется до АСС. После обезвоживания в течение 24 часов весь АСС превратится в кальцит. [10]
Синтетический АСС
[ редактировать ]Множество методов, [9] [7] [11] были разработаны для синтетического получения АСС с момента его открытия в 1989 году, однако лишь немногие синтезы успешно стабилизировали АСС на срок более нескольких недель. Лучший эффективный метод стабилизации срока службы АКК — его формирование в присутствии магния и/или фосфора. [12] [13] Кроме того, было обнаружено, что пути кристаллизации АСС зависят от соотношения Mg/Ca, превращаясь в арагонит, [14] Mg-кальцит, [15] моногидрокальцит [16] или доломит [17] с увеличением содержания Mg. Хуанг и др. удалось стабилизировать АСС с помощью полиакриловой кислоты на несколько месяцев, [18] в то время как Лосте и др. показали, что ионы магния также могут повысить стабильность АСС. [19] Но только открытие того, что аспарагиновая кислота, глицин, [20] цитрат, [21] и фосфорилированные аминокислоты могут производить долговременно стабильный АСС. [22] открыли двери для коммерциализации продукции.
Высокопористый АСС
[ редактировать ]Высокопористый АКЦ синтезирован безПАВ-методом. [23] В этом методе CaO диспергируется в метаноле под давлением диоксида углерода в герметичном реакционном сосуде. Данным методом синтезировали АКК с площадью поверхности более 350 м2/г. Высокопористые АКК оказались составленными из агрегированных наночастиц размером менее 10 нм. Также было обнаружено, что высокопористый ACC стабилен в условиях окружающей среды до 3 недель с сохранением большей части его пористости.
Приложения и использование
[ редактировать ]Биодоступность: С 2013 года компания Amorphical Ltd. продает пищевую добавку ACC . [24] [25] Карбонат кальция используется в качестве добавки кальция во всем мире, однако известно, что его биодоступность очень низкая, всего около 20–30%. АСС примерно на 40% более биодоступен, чем кристаллический карбонат кальция. [26]
Доставка лекарств. Благодаря способности регулировать размер и морфологию частиц аморфного карбоната кальция (а также других частиц карбоната кальция) они находят широкое применение в доставки лекарств . системах [ нужна ссылка ] Высокопористый ACC продемонстрировал способность стабилизировать плохо растворимые молекулы лекарств в своей обширной системе пор, а также может увеличивать скорость высвобождения этих лекарств. [23]
Реконструкция палеоклимата: лучшее понимание процесса трансформации аморфного карбоната кальция в кристаллический улучшит реконструкцию климата прошлого с использованием химических и биологических показателей. Например, калибровки сгруппированных 13 С- 18 Карбонатный палеотермометр и понимание происхождения и эволюции скелетных структур. [6] [5]
Восстановление окружающей среды : совершенствование усилий по восстановлению окружающей среды за счет понимания роли земных материалов в биогеохимическом круговороте питательных веществ и металлов за счет лучшего понимания свойств минеральных фаз окружающей среды, участвующих в поглощении и высвобождении элементов. [27] [28]
Материаловедение: совершенствование конструкции и синтеза наноматериалов , например, улучшение фотоэлектрических , фотокаталитических и термоэлектрических материалов для энергетических применений или улучшение биомедицинских цементаций. Также совершенствуется разработка базовых материалов для CO 2 улавливания H 2 , хранения , контроля выбросов, преобразования биомассы , молекулярного разделения и очистки биотоплива. [5]
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Полити, Яэль; Арад, Тальмон; Кляйн, Евгения; Вайнер, Стив; Аддади, Лия (12 ноября 2004 г.). «Кальцит позвоночника морского ежа образуется через переходную аморфную фазу карбоната кальция». Наука . 306 (5699): 1161–1164. Бибкод : 2004Sci...306.1161P . дои : 10.1126/science.1102289 . ISSN 0036-8075 . ПМИД 15539597 . S2CID 32902672 .
- ^ Перейти обратно: а б с д и Аддади, Л.; Раз, С.; Вайнер, С. (17 июня 2003 г.). «Использование беспорядка: аморфный карбонат кальция и его роль в биоминерализации». Продвинутые материалы . 15 (12): 959–970. дои : 10.1002/adma.200300381 . ISSN 1521-4095 . S2CID 96531039 .
- ^ Перейти обратно: а б Джуффре, Энтони Дж.; Ганьон, Александр К.; Де Йорео, Джеймс Дж.; Дав, Патрисия М. (15 сентября 2015 г.). «Изотопные индикаторные доказательства превращения аморфного карбоната кальция в кальцит путем растворения-переосаждения» . Geochimica et Cosmochimica Acta . 165 : 407–417. Бибкод : 2015GeCoA.165..407G . дои : 10.1016/j.gca.2015.06.002 . ISSN 0016-7037 .
- ^ Патент США 603225 , Штурке, Герман Э., «Процесс получения аморфного карбоната извести из остатков», выдан 26 апреля 1898 г.
- ^ Перейти обратно: а б с д Йорео, Джеймс Дж. Де; Гилберт, Пупа УПА; Соммердейк, Нико AJM; Пенн, Р. Ли; Уайтлам, Стивен; Джостер, Дерк; Чжан, Хэнчжун; Раймер, Джеффри Д.; Навроцкий, Александра (31 июля 2015 г.). «Кристаллизация путем прикрепления частиц в синтетической, биогенной и геологической среде» (PDF) . Наука . 349 (6247): ааа6760. дои : 10.1126/science.aaa6760 . ISSN 0036-8075 . ПМИД 26228157 . S2CID 14742194 .
- ^ Перейти обратно: а б Вайнер, С. (3 января 2003 г.). «Обзор процессов биоминерализации и проблема жизненного эффекта». Обзоры по минералогии и геохимии . 54 (1): 1–29. Бибкод : 2003RvMG...54....1W . CiteSeerX 10.1.1.460.7594 . дои : 10.2113/0540001 . ISSN 1529-6466 .
- ^ Перейти обратно: а б Родригес-Бланко, доктор юридических наук; Шоу, С.; Беннинг, LG (2011). «Кинетика и механизмы кристаллизации аморфного карбоната кальция (АКК) в кальцит через ватерит». Наномасштаб . 3 (1): 265–271. Бибкод : 2011Nanos...3..265R . дои : 10.1039/c0nr00589d . ПМИД 21069231 .
- ^ Боты, П.; Родригес-Бланко, доктор юридических наук; Ронкаль-Эрреро, Т.; Беннинг, LG; Шоу, С. (2012). «Механистическое понимание кристаллизации аморфного карбоната кальция в ватерит». Рост и дизайн кристаллов . 12 : 3806–3814. дои : 10.1021/cg300676b .
- ^ Перейти обратно: а б Родригес-Бланко, доктор юридических наук; Шоу, С.; Беннинг, Л.Г. (2008). «Как сделать «стабильный» АСС: протокол и предварительная структурная характеристика». Минералогический журнал . 72 (1): 283–286. Бибкод : 2008MinM...72..283R . дои : 10.1180/minmag.2008.072.1.283 . S2CID 129877161 .
- ^ Гонг, Ютао, Юта; Киллиан, Кристофер Э.; Олсон, Ян К.; Аппатурай, Нараяна П.; Амасино, Одра Л.; Мартин, Майкл С.; Холт, Лиам Дж.; Уилт, Фред Х.; Гилберт, ПУПА (17 апреля 2012 г.). «Фазовые переходы в биогенном аморфном карбонате кальция» . Труды Национальной академии наук . 109 (16): 6088–6093. Бибкод : 2012PNAS..109.6088G . дои : 10.1073/pnas.1118085109 . ISSN 0027-8424 . ПМК 3341025 . ПМИД 22492931 .
- ^ Блю, Кристина Р.; Римстидт, Дж. Дональд; Дав, Патрисия М. (1 января 2013 г.). «Метод реактора смешанного потока для синтеза аморфного карбоната кальция в контролируемых химических условиях». Методы исследования в науке о биоминерализации . Методы энзимологии. Том. 532. стр. 557–568. дои : 10.1016/B978-0-12-416617-2.00023-0 . ISBN 9780124166172 . ПМИД 24188782 .
- ^ Коборн, Г.; Маунтджой, Дж.; Родригес-Бланко, доктор юридических наук; Беннинг, LG; Хэннон, AC; Плезье, младший (2014). «Нейтронная и рентгеновская дифракция и эмпирическое потенциальное моделирование уточнения структуры стабилизированного магнием аморфного карбоната кальция». Журнал некристаллических твердых тел . 401 : 154–158. Бибкод : 2014JNCS..401..154C . дои : 10.1016/j.jnoncrysol.2013.12.023 . hdl : 2262/89859 .
- ^ Бентов, Шмуэль; Вейль, Сими; Глейзер, Лайла; Саги, Амир; Берман, Амир (01 августа 2010 г.). «Стабилизация аморфного карбоната кальция белками органической матрицы, богатыми фосфатами, и отдельными фосфоаминокислотами». Журнал структурной биологии . 171 (2): 207–215. дои : 10.1016/j.jsb.2010.04.007 . ISSN 1047-8477 . ПМИД 20416381 .
- ^ Вайс, Ингрид Мария; Туросс, Норин; Аддади, Лия; Вайнер, Стив (1 октября 2002 г.). «Формирование раковины личинок моллюсков: аморфный карбонат кальция является предшественником арагонита». Журнал экспериментальной зоологии . 293 (5): 478–491. дои : 10.1002/jez.90004 . ISSN 1097-010X . ПМИД 12486808 .
- ^ Родригес-Бланко, доктор юридических наук; Шоу, С.; Боты, П.; Ронкаль-Эрреро, Т.; Беннинг, Л.Г. (2012). «Роль pH и Mg на стабильность и кристаллизацию аморфного карбоната кальция». Журнал сплавов и соединений . 536 : S477–S479. дои : 10.1016/j.jallcom.2011.11.057 .
- ^ Родригес-Бланко, доктор юридических наук; Шоу, С.; Боты, П.; Ронкаль-Эрреро, Т.; Беннинг, LG (2014). «Роль Mg в кристаллизации моногидрокальцита» (PDF) . Geochimica et Cosmochimica Acta . 127 : 204–220. Бибкод : 2014GeCoA.127..204R . дои : 10.1016/j.gca.2013.11.034 .
- ^ Родригес-Бланко, доктор юридических наук; Шоу, С.; Беннинг, LG (2015). «Путь прямой кристаллизации доломита» (PDF) . Американский минералог . 100 (5–6): 1172–1181. Бибкод : 2015AmMin.100.1172R . дои : 10.2138/am-2015-4963 . hdl : 2262/89864 . S2CID 32337739 .
- ^ Шу-Чен Хуан, Кенсуке Нака и Йошики Чудзё (2007). «Метод контролируемого добавления карбоната для аморфных сфер карбоната кальция, стабилизированных полиакриловой кислотой». Ленгмюр . 23 (24): 12086–12095. дои : 10.1021/la701972n . ПМИД 17963412 .
- ^ Лосте, Ева; Уилсон, Рори М.; Сешадри, Рам; Мелдрам, Фиона К. (2003). «Роль магния в стабилизации аморфного карбоната кальция и контроле морфологии кальцита». Журнал роста кристаллов . 254 (1): 206–18. Бибкод : 2003JCrGr.254..206L . дои : 10.1016/S0022-0248(03)01153-9 .
- ^ Тоблер, диджей; Родригес-Бланко, доктор юридических наук; Дидериксен, К.; Санд, КК; Бовет, Н. Беннинг; Стипп, SLS (2014). «Влияние аспарагиновой кислоты и глицина на структуру, стабильность и кристаллизацию аморфного карбоната кальция (АСС)». Procedia Земля и планетология . 10 : 143–148. Бибкод : 2014PrEPS..10..143T . дои : 10.1016/j.proeps.2014.08.047 . hdl : 2262/89858 . S2CID 85651837 .
- ^ Тоблер, диджей; Родригес-Бланко, доктор юридических наук; Дидериксен, К.; Бовет, Н.; Санд, КК; Стипп, SLS (2015). «Влияние цитрата на структуру, стабильность и кристаллизацию аморфного карбоната кальция (ACC)». Передовые функциональные материалы . 25 (20): 3081–3090. дои : 10.1002/adfm.201500400 . hdl : 2262/89861 . S2CID 97248392 .
- ^ Бентов, Шмуэль; Вейль, Сими; Глейзер, Лайла; Саги, Амир; Берман, Амир (2010). «Стабилизация аморфного карбоната кальция белками органической матрицы, богатыми фосфатами, и отдельными фосфоаминокислотами». Журнал структурной биологии . 171 (2): 207–215. дои : 10.1016/j.jsb.2010.04.007 . ПМИД 20416381 .
- ^ Перейти обратно: а б Сунь, Руи; Чжан, Пэн; Байноци, Ева Г.; Неагу, Александра; Тай, Чеук-Вай; Перссон, Ингмар; Стрёмме, Мария; Чунг, Оушен (04 июня 2018 г.). «Аморфный карбонат кальция, построенный из агрегатов наночастиц с беспрецедентной площадью поверхности и мезопористостью». Прикладные материалы и интерфейсы ACS . 10 (25): 21556–21564. дои : 10.1021/acsami.8b03939 . ISSN 1944-8244 . ПМИД 29862822 . S2CID 206483700 .
- ^ Домашняя страница пищевой добавки «DENSITY». Архивировано 11 марта 2015 г. в Wayback Machine.
- ^ Кальций, следующее поколение: добавка, которая успешно восстанавливает кости Статья на иврите на Ynet о новой пищевой добавке кальция, декабрь 2013 г.
- ^ Мейрон, Орен Э; Бар-Давид, Элад; Афлало, Элиаху Д; Шехтер, Ассаф; Степенский, Дэвид; Берман, Амир; Саги, Амир (2011). «Растворимость и биодоступность стабилизированного аморфного карбоната кальция» . Журнал исследований костей и минералов . 26 (2): 364–372. дои : 10.1002/jbmr.196 . ПМИД 20690187 . S2CID 33408899 .
- ^ Мехта, Неха; Бугур, Джереми; Кочар, Бенджамин Д.; Дюпра, Элоди; Бензерара, Карим (08 апреля 2022 г.). «Цианобактерии накапливают радий (226 Ra) внутри внутриклеточных включений аморфного карбоната кальция» . АСУ ЭСиТ Вода . 2 (4): 616–623. doi : 10.1021/acsestwater.1c00473 . ISSN 2690-0637 . S2CID 247456505 .
- ^ Кэм, Нитавонг; Бензерара, Карим; Джорджелин, Томас; Джабер, Магуй; Ламбер, Жан-Франсуа; Пуансо, Мелани; Скури-Панет, Фериэль; Кордье, Лора (01 ноября 2016 г.). «Селективное поглощение щелочноземельных металлов цианобактериями, образующими внутриклеточные карбонаты» . Экологические науки и технологии . 50 (21): 11654–11662. doi : 10.1021/acs.est.6b02872 . ISSN 0013-936X . ПМИД 27712057 . S2CID 30420839 .