Mekaniske ingeniørers metode til at kontrollere væksten af ​​karbonatbaserede krystaller i PNAS

Det er lige blevet lidt nemmere at dyrke krystaller takket være arbejdet fra et internationalt team fra Virginia Tech, Harvard Universitet, og AMOLF, drevet af Foundation for Fundamental Research on Matter Institute AMOLF) i Holland.

Holdet omfattede Ling Li, adjunkt i maskinteknik på Ingeniørhøjskolen.

Gruppens arbejde udkom for nylig i bladet Proceedings of the National Academy of Sciences ( PNAS ) med Li som første forfatter. Forskning i kontrolleret kernedannelse og vækst af krystaller vil give indsigt til forståelse, efterligning, og i sidste ende udvider naturens strategier for mineralisering til udvikling af funktionelle mikroskopiske strukturer.

Væksten af ​​krystaller har været en vigtig del af forsøget på at efterligne biologisk mineraldannelse som biomineraliserede strukturer i naturen, som muslingeskaller og knogler, som er langt mere holdbare og avancerede end dem, der er fremstillet syntetisk i dag. Ved at bruge en af ​​to kontrolparametre, supermætning eller kernegittermismatch, forskere kunne kontrollere kernedannelsen og væksten af ​​karbonatbaserede krystaller.

"Vores forskning har med succes kombineret både lokal supermætning og gittermismatch for mere effektivt at fremme krystalkernedannelse, " sagde Li. "Ved at demonstrere kontrol over begge parametre kan vi styre placeringen og vækstretningen af ​​krystallinske forbindelser på specifikke substrater."

Substrat/kernegittermismatch refererer til forskellen i krystaljustering mellem den voksende krystal på et bestemt substrat, mens lokal overmætning indikerer, at koncentrationen af ​​det opløste materiale omkring en voksende krystalstruktur nedsænket i opløsningsmiddel er større end dets opløselighedsgrænse.

"Motivationen for dette arbejde er at forstå, hvordan biologiske mineraliserede strukturer dannes - såsom muslingeskaller, " sagde Li. "En muslingeskal er primært lavet af kridt, som tydeligvis er skrøbelig og svag, men naturen organiserer strukturen på en sådan måde, at den gør den meget stærk."

Den kollaborative forskergruppe arbejder på at forklare det centrale strukturelle grundlag for de mekaniske egenskaber og forstå deres dannelsesveje for udviklingen af ​​bio-inspirerede strukturelle materialer i fremtiden.

Lis del af projektet fokuserer på grænsefladestrukturerne mellem underliggende substrat og tilgroede krystaller og hvordan strukturer kan vokse forskelligt under forskellige forhold.

Ved at bruge et eksempel på tre forskellige krystallinske strukturer af calciumcarbonat (de mest udbredte biomineraler, der findes i naturen) som substrater, holdet fastslog, at ved at ændre placeringen af ​​krystallisationsreaktionen, der finder sted i et opløsningsmiddel, de kunne påvirke både supermætning og substrat/kernegittermismatch og på den måde, kerne og dirigere væksten af ​​krystallerne i en bestemt placering og retning.

"Ved at prøve at forstå, hvordan disse strukturer er organiseret, vi kan forsøge at efterligne naturen med syntetiske materialer og forbedre de mekaniske egenskaber, " sagde Li.

Et af de næste trin i forskningen vil få Li til at lede den samme gruppe, da de observerer, hvordan krystallerne dannes under en røntgenstråle, der vil optage hele vækstprocessen.

"Vi vil se, hvordan krystaller vokser ved en opløsning på nanometer, at give mere indsigt med hensyn til at forstå, hvordan vækstparametrene styrer krystallernes morfologi, og måske mere indsigt i, hvordan biologiske systemer arbejder for at kontrollere morfologi, hvilket er ekstremt vigtigt i forhold til deres egenskaber."