贝壳为什么硬？化学作用少不了

碳酸钙在地球上很常见，粉笔、贝壳甚至珍珠都主要由碳酸钙构成，但它们的性质却有天壤之别。贝壳和龙虾的大螯很难打破，但粉笔却可很容易地在黑板上留下痕迹。研究表明，生物体内的有机分子是这种物性差别的关键，它们让碳酸钙变得更强更硬。最近，一个多国科学家团队发表于《Nature Communications》的一篇文章对这一现象背后的机理进行了解释（Direct observation of mineral-organic composite formation reveals occlusion mechanism. Nature Communications. DOI: 10.1038/ncomms10187）。

研究人员采用原子力显微镜（AFM）和微观力学模拟来研究碳酸钙如何结合蛋白质或其它增加强度的组分。该团队在研究中使用了高浓度的碳酸钙，会在自然条件下形成晶体方解石（calcite）。方解石在生长过程中会逐渐积聚成层，并产生不平的表面，像极了层叠的梯田（terrace）或台阶（step）。同时，研究人员构建有机分子球体（胶束），将其放入高浓度的碳酸钙中。

该团队在显微镜下首先注意到胶束并不是随机地散落在平坦的“梯田”上，相反，它们只会粘合在“台阶”的边缘。文章通讯作者之一、材料学家Jim De Yoreo解释说，“台阶”边缘和“梯田”不一样，“其中有许多的自由键（dangling bond）能够与胶束相互作用”。

在碳酸钙晶体继续生长的同时，“台阶”抓住胶束，然后逐个封闭在晶体结构中。该团队观察到这些胶束都受到了挤压，并且会在胶束上方形成一个空腔。研究人员利用数学建模分析了这一过程。结果表明，这些受到压缩的胶束以及空腔产生了局部的晶格应变（lattice strain），从而提高了整个材料的力学性能。

De Yoreo认为他们所发现的机理与众不同，“晶体‘台阶’基于化学相互作用捕获胶束，而不是力学，随后导致的胶束压缩所产生的力正是材料强度增加的源头。”

“这项工作有助于我们解释力学性能差的晶体如何形成力学性能好的复合材料，”De Yoreo说，“这也给我们带来了灵感，比如可以捕捉二氧化碳并生产高强度材料。”

1. http://www.nature.com/ncomms/2016/160106/ncomms10187/full/ncomms10187.html  

2. http://phys.org/news/2016-01-calcium-carbonate-composites-strong-materials.html