Effekten af ​​tilsætningsstoffer på calciumcarbonatkrystallisation

Resultaterne af et storstilet innovativt Citizen Science-eksperiment kaldet Project M, som involverede mere end 1.000 videnskabsmænd, 800 prøver og 110 britiske gymnasier i et stort eksperiment, blev offentliggjort i tidsskriftet CrystEngComm .

Artiklen har titlen "Project M:Investigating the effect of additives on calciumcarbonate crystallization through a school citizen science program." Avisen deler et kæmpe sæt resultater fra skoleborgerforskere, som samarbejdede med et team hos Diamond for at finde ud af, hvordan forskellige tilsætningsstoffer påvirker de forskellige former for produceret calciumcarbonat.

Disse tilsætningsstoffer påvirker typen af ​​calciumcarbonat, der dannes, og dermed dets egenskaber og potentielle anvendelser. At være i stand til nemt at producere forskellige former for calciumcarbonat kan være meget vigtigt for fremstillingen.

Hovedforfatterne Claire Murray, Visiting Scientist hos Diamond og Julia Parker, Diamond Principal Beamline Scientist og ekspert i calciumcarbonatvidenskab, som konceptualiserede projektet, analyserede dataene og skrev og redigerede manuskriptet, forklarer, at på trods af naturens evne til præcist at kontrollere calciumcarbonatdannelsen i skaller og skeletter, laboratorier rundt om i verden er ofte ude af stand til at nøjagtigt det samme niveau af kontrol over, hvordan calciumcarbonat dannes.

"Naturen bruger molekyler som aminosyrer og proteiner til at styre dannelsen af ​​calciumcarbonat, så vi var interesserede i at opdage, hvordan nogle af disse molekyler påvirker det calciumcarbonat, vi laver i laboratoriet," sagde forskerne.

Projekt M engagerede eleverne og lærerne som videnskabsmænd og lavede forskellige prøver af calciumcarbonat under forskellige forhold med forskellige tilsætningsstoffer. I alt blev 800 af disse prøver derefter analyseret på kun 24 timer i april 2017 ved hjælp af røntgenpulverdiffraktionsteknikken på beamline I11 ved Diamond Light Source, Storbritanniens nationale synkrotron. Dette skabte et kæmpe sæt resultater, der danner grundlaget for publikationen. En systematisk undersøgelse af denne skala er aldrig blevet afsluttet andre steder i verden.

Målet med dette projekt var at finde ud af, hvordan brug af forskellige tilsætningsstoffer som aminosyrer påvirker strukturen af ​​calciumcarbonatet. Mineralet har tre hovedformer kaldet "polymorfer" - vaterit, calcit og aragonit - som kan identificeres ved hjælp af røntgenpulverdiffraktion ved Diamonds strålelinje l11.

Diamond Light Source producerer en af ​​de klareste røntgenstråler på planeten Jorden, som gør det muligt for forskere at forstå den atomare struktur af materialer. Forskere kommer fra hele Storbritannien og længere væk for at bruge disse røntgenstråler – såvel som infrarødt og ultraviolet lys – til at fremstille bedre stoffer, forstå den naturlige verden og skabe futuristiske materialer.

At forstå virkningen af ​​forskellige tilsætningsstoffer på produktionen af ​​polymorfer er af stor interesse i industrien, såsom i fremstilling, medicinske anvendelser såsom vævsteknologi og design af lægemiddelleveringssystemer og endda kosmetik.

Kortlægning af et så stort parameterrum med hensyn til additiv og koncentration kræver imidlertid syntese af et stort antal prøver og tilvejebringelse af analyseteknikker med høj kapacitet. Det gav en spændende mulighed for at samarbejde med 110 sekundære skoler, der laver rigtige prøver for at vise strålelinjens højkapacitetsevne, herunder hurtig robotændring af prøver, hvilket betyder, at diffraktionsmønstre kan indsamles og prøver ændres på mindre end 90 sekunder.

"Projektet blev ledet af et videnskabeligt spørgsmål, vi havde," forklarede Murray. "Idéen om at involvere skoleelever og lærere i udarbejdelsen af ​​prøverne fulgte naturligt, da vi ved, at kemiprojekter er underrepræsenteret i det borgervidenskabelige rum. Det bidrag, som studerende borgerforskere kan yde til forskning, skal ikke undervurderes. Disse projekter kan give en effektiv måde for forskere at få adgang til mængder af data, som de ellers ville have svært ved at indsamle, samt inspirere fremtidige generationer af videnskabsmænd."

Projektet blev designet med kit og ressourcer til at støtte skolerne i at lære nye teknikker og viden og give dem plads til at interagere og engagere sig i eksperimentet. Efter analyse på Diamond havde eleverne mulighed for at se på deres resultater, se deres toppe og bestemme, hvilken slags polymorfer de havde produceret, og sammenligne deres resultater med resultaterne opnået af forskellige prøver og forskellige skoler på forskellige steder i Storbritannien.

Gry E. Christensen, tidligere elev og projekt M-forsker ved Didcot Pigeskole, Didcot kommenterede:"Det var en fantastisk rejse, og jeg anbefaler, at hvis nogen andre skoler har en chance for at hjælpe med et lignende projekt, så hop ombord, fordi det er en mulighed for eleverne en gang i livet, og du føler, at du kan skabe en positiv forandring i verden."

"Det faktum, at vi endnu ikke kendte svaret, var en motivationsfaktor for eleverne," forklarer Murray. "Lærerne fortalte os, at de tog alt mere seriøst, fordi det her var ægte videnskab i aktion - det betød virkelig noget. De delte, hvordan eleverne var begejstrede for at omsætte deres laboratoriefærdigheder til dette eksperiment, og at eleverne var i stand til at kontekstualisere deres læring fra deres foreskrevne lærebøger og laboratorietimer.

"Lærerne fremhævede også deres egen interesse og nysgerrighed, da mange af dem har uddannet sig som kemikere i deres uddannelse. De satte pris på forbindelsen til virkelig videnskab og muligheden for fortsat faglig udvikling."

Matthew Wainwright, lærer og Project M Scientist ved Kettlethorpe High School, Wakefield, tilføjer:"Projektet gav vores elever en unik mulighed for at deltage i ægte videnskabelig forskning og skulle fungere som en plan for fremtidige projekter, der har til formål at engagere unge mennesker i naturvidenskab ud over klasseværelset."

At udforske aminosyrernes rolle i at styre krystallisering med Project M Scientists var en mulighed og en ære for forfatterne. Parker forklarede:"I vores arbejde ser vi, hvordan vi kan drage nye videnskabelige konklusioner vedrørende virkningen af ​​aminosyrer på strukturen af ​​calcit- og vaterit-calciumcarbonatpolymorfer.

"Denne evne til at udforske et bredt parameterrum i prøveforhold, samtidig med at det giver fortsatte uddannelsesmæssige og videnskabelige engagementsfordele for de involverede studerende og lærere, kan vi håbe i fremtiden vil blive anvendt til andre materialesynteseundersøgelser."

Projekt M satte skoler i stand til at udføre reel forskning og lave et eksperiment, der aldrig var blevet lavet før, i deres eget skolelaboratorium. Det var det første "citizen science"-projekt drevet af Diamond, som transporterede diamantvidenskab til skoler og muliggjorde produktionen af ​​et betydeligt sæt resultater, som nu har resulteret i denne succesfulde udgivelse i CrystEngComm .

Flere oplysninger: Claire A. Murray et al., Project M:undersøgelse af virkningen af ​​tilsætningsstoffer på calciumcarbonatkrystallisation gennem et skoleborgervidenskabsprogram, CrystEngComm (2024). DOI:10.1039/D3CE01173A

Leveret af Diamond Light Source