Narodziny kryształu

Naukowcy z departamentu energii Krajowego Laboratorium Pacific Northwest (PNNL, Pacific Northwest National Laboratory), dzięki zastosowaniu mikroskopu elektronowego, zaobserwowali proces tworzenia się kryształu w czasie rzeczywistym. Umożliwiło im to wgląd w proces krystalizacji węglanu wapnia, jednego z najbardziej rozpowszechnionych związków Ziemi.

Narodziny kryształu

Rys.1 Marmur- popularnie występująca na Ziemi skała metamorficzna składająca się głównie z węglanu wapnia

Odkrycie to może okazać się istotne dla ekologów. W dobie, gdy globalne ocieplenie stanowi jeden z podstawowych problemów, wymagających szybkiego i skutecznego rozwiązania, szczegółowe poznanie procesu krystalizacji może umożliwić zmniejszenie negatywnych skutków nadmiernej emisji dwutlenku węgla do atmosfery.

„Przez dekadę badaliśmy drogi tworzenia się węglanów, stosując mikroskopy o dużej mocy, jednak nie posiadaliśmy wówczas narzędzi by móc obserwować procesy tworzenia się kryształów w czasie rzeczywistym. Obecnie wiemy, że drogi ich formowania się są o wiele bardziej skomplikowane, niż zakładały modele  z  XXw” – powiedział główny badacz James De Yoreo, materiałoznawca w PNNL.

Węglan wapnia jest największym rezerwuarem węgla na naszej planecie. Stanowi budulec  licznych struktur, w tym różnego rodzaju skał takich jak marmury czy wapienie, muszli żywych organizmów oraz koralowców. Surowcem do wytworzenia węglanów w naturze jest dwutlenek węgla, pochodzący z  tmosfery i to m.in. dzięki syntezie węglanu wapnia w sposób naturalny usuwany jest nadmiar tego gazu z atmosfery. Wzrost spalania wysokoenergetycznych surowców mineralnych w ciągu ostatniego stulecia przyczynił się do gwałtownego zwiększenia się  zawartości dwutlenku węgla w atmosferze, co miało bardzo duży wpływ na niekorzystny wzrost średniej temperatury na Ziemi. Zaradzić temu problemowi mogłoby przeprowadzenie CO2 w węglany, w czym pomocne byłoby zrozumienie, w jaki sposób CaCO3 przekształca się w różnorodne minerały.

Ponadto, pokłady węglanu wapnia w litosferze są znakomitym źródłem informacji na temat zmian klimatu na naszej planecie. Analizując próbki skalne naukowcy są w stanie uzyskać informacje na temat temperatury, składu atmosfery, warunków środowiskowych czy stanu oceanów w czasie, gdy powstawały. Znajomość mechanizmów rządzących procesami formowania się poszczególnych minerałów, pozwoli na uzyskanie dodatkowych informacji, a więc na lepszy wgląd w przeszłe wydarzenia.

Naukowcy z PNNL, Uniwersytetu w Kalifornii, Berkeley oraz z Krajowego Laboratorium Lawrenca Berkleya w pierwszym etapie swoich badań rozważali najwcześniejszy krok, jaki podejmuje materia by stać się minerałem, zwany nukleacją. W etapie nukleacji cząstki organizują się w tzw. zarodki krystaliczne, które następnie wzrastają z dużą szybkością. Nukleacja jest trudnym etapem do obserwacji, ponieważ zachodzi dość szybko i w nie dający się przewidzieć sposób. W konsekwencji naukowcy potrzebowali  mikroskopu, który umożliwiłby im jej obserwację w czasie rzeczywistym. By móc uchwycić ten gwałtowny i nieprzewidywalny moment, zastosowali elektronowy mikroskop transmisyjny (TEM, transmission electron microscope).

Dotychczas wiedza na temat procesu krystalizacji opierała się na XX- wiecznej teorii , według której najpierw formowane jest jądro kryształu, po czym następuje jego wzrost bez zmiany jego struktury poprzez przyłączanie kolejnych cząstek do zarodka. Celem przeprowadzonych badań było m.in. sprawdzenie czy proces ten nie jest bardziej skomplikowany niż zakładano i czy powstawanie kryształu nie uwzględnia innych czynników.

Za cel badań naukowcy z PNNL przyjęli również sprawdzenie czy kalcyt powstaje bezpośrednio ze znajdujących się w wodzie jonów, czy jest efektem końcowym przekształcania się mniej stabilnych form (np. argonitu i waterytu czy ACC,  amorphous calcium carbonate).

W celu przeprowadzenia eksperymentów posłużono się roztworem wodorowęglanu sodu i chlorku wapnia w odpowiednim stężeniu, które umożliwiło wzrost kryształów. Roztwór obserwowano przez TEM, a przykładowe efekty eksperymentów można zaobserwować na poniższych filmach:

Uzyskane wyniki ujawniają, że wzrost minerałów może obrać różne kierunki. Niektóre kryształy są utworzone na drodze dwuetapowego procesu. Na przykład najpierw tworzone są skupiska ACC o kształcie kropli, a następnie, na ich powierzchni, wzrastają kryształy argonitu i waterytu. Powstanie kryształu powoduje absorpcję dwutlenku węgla do roztworu, na którym doszło do nukleacji. Inne kryształy, powstałe bezpośrednio z roztworu, powstają daleko od ACC. Zaobserwowano także, że możliwe jest utworzenie mieszaniny form w badanym układzie. Zdarzyło się, że przynajmniej jeden kryształ kalcytu znajdował się na krysztale argonitu, podczas gdy w pobliżu wzrastał kryształ waterytu.

Nie zaobserwowano jednak by kryształ kalcytu powstał z ACC. Nie świadczy to wprawdzie o tym, że coś takiego nie może mieć miejsca w warunkach naturalnych, jednak zważywszy na ilość wykonanych badań, według De Yoreo, jest to wielce nieprawdopodobne.

W przyszłości De Yoreo  ze współpracownikami planuje prześledzić jak proces nukleacji kontrolowany jest w żywych organizmach. Wiadomo, że potrafią one magazynować składniki mineralne w swoich komórkach oraz wywołać nukleację ich cząstek  wtedy  i tam gdzie jest potrzebna. Zespół jest ciekawy w  aki sposób związki chemiczne produkowane przez komórki żywych organizmów kontrolują ten proces.

  1. M. H. Nielsen, S. Aloni, J. J. De Yoreo (2014) In Situ TEM Imaging of CaCO3 Nucleation Reveals Coexistence of Direct and Indirect Pathways, Science, 345, 1158-1162 
  2. H. E. Dunsmore (1992), A geological perspective on global warming and the possibility of carbon dioxide removal as calcium carbonate mineral, Energy Conversion and Management, 33, 565- 572
  3. http://www.pnnl.gov/news/release.aspx?id=1070

Opracowała: Emilia Strzałka

Korekta: Monika Bryczkowska

Bookmark the permalink.

Dodaj komentarz

Twój adres email nie zostanie opublikowany. Pola, których wypełnienie jest wymagane, są oznaczone symbolem *


*