Исследование показывает, что карбонат кальция образует различные минералы несколькими путями одновременно

Карбонат кальция — одна из важнейших молекул на Земле, кристаллизующаяся в мел, раковины и минералы по всему миру. В исследовании под руководством Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории (PNNL) Министерства энергетики США ученые использовали мощный микроскоп, позволяющий в реальном времени наблюдать рождение кристаллов. Это дало им возможность увидеть, как образуются различные кристаллы карбоната кальция. Результаты работы опубликованы 5 сентября в журнале Science.

Полученные данные могут помочь ученым понять, как блокировать попадание углекислого газа в атмосферу, а также точнее реконструировать древний климат. Карбонаты важнее всего тем, что они представляют — взаимодействие между биологией и Землей. Как отметил ведущий исследователь Джеймс Де Йорео, материалы десятилетиями изучали пути образования карбонатов с помощью мощных микроскопов, но не имели инструментов для наблюдения за кристаллизацией в реальном времени. Теперь известно, что эти пути гораздо сложнее, чем предполагали модели, установленные в XX веке.

Карбонат кальция — крупнейший резервуар углерода на планете. Когда углерод находится в его составе, он не попадает в атмосферу в виде CO₂, способствуя потеплению. Понимание того, как карбонат кальция превращается в различные минералы, может помочь контролировать его образование для улавливания углекислого газа. Кроме того, отложения карбоната кальция содержат запись истории Земли, помогая реконструировать древний климат, состав атмосферы и состояние океана.

Чтобы изучить процесс минералообразования, исследователи из PNNL, Калифорнийского университета в Беркли и Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли сосредоточились на начальной стадии — нуклеации, когда молекулы собираются в крошечный кристалл. Этот процесс сложно изучать из-за его внезапности. Ученые создали мини-лабораторию под просвечивающим электронным микроскопом, где смешивали бикарбонат натрия и хлорид кальция в воде.

Видеозаписи процесса показали, что рост минералов происходит множеством путей. Некоторые кристаллы, например арагонит или ватерит, формировались в два этапа, появляясь на поверхности капель аморфного карбоната кальция (АКК). Другие кристаллы, такие как кальцит, образовывались напрямую из раствора. В ходе одного эксперимента часто нуклеировались несколько форм. При этом команда не наблюдала образования кальцита из АКК, что ставит под вопрос распространенное ожидание этого пути.

«Это первый раз, когда мы непосредственно визуализировали процесс образования. Мы наблюдали множество одновременно происходящих путей, причем случайным образом. Чтобы контролировать процесс, потребуется ввести своего рода шаблон, направляющий формирование кристаллов», — сказал Де Йорео. В будущем команда планирует исследовать, как живые организмы контролируют нуклеацию для построения раковин и жемчуга.