中国青年学者领衔！CaCO₃，还能发Nature Materials！

高分子科学前沿 · 公众号 · 化学 · 2024-11-11 07:50

正文

矿物的演化，钙（双）碳酸盐的致密液化过程

成核是结晶过程中的初始阶段，预测其进展是材料科学、地球科学和生物学领域的一项关键挑战。尽管经典成核理论在多种情况下似乎成功解释了成核现象，但由于该成核模型未考虑自由能和动力学复杂性，它无法解释日益增多的体系中的成核现象。特别是当体系远离平衡态时，高化学势会开辟通往最终稳定相的途径，这些途径会经过亚稳态，其中一些亚稳态在转变之前只能短暂且微观地存在。这些状态可能包括致密液相（DLP），它们可能通过液-液相分离而形成，无需通常阻碍成核的自由能垒。

碳酸钙是一个典型的例子，它强调了理解和控制通过DLP的多步成核途径的重要性。尽管人们已经在定义CaCO₃结晶途径方面取得了很大进展，但任何常见多晶型物在结晶过程中都可能出现，无序相的瞬态性质以及对添加剂的敏感性限制了当前知识对CaCO₃矿化的理解、预测和控制。在CaCO₃的众多相中，DLP是探索或了解最少的，其类似液体的特性在形成和形态中起着重要作用。自发现一种称为聚合物诱导的液体前驱体的添加剂诱导形式以来，研究表明，即使纯CaCO₃体系也含有DLP，该DLP在高驱动力和中性pH下形成，并且在没有添加酸性聚合物或蛋白质的情况下寿命很短。一些研究认为DLP始于预成核团簇，而有些研究则将其出现归因于离子对的聚集。然而，由于缺乏动力学研究，目前人们仍然对于DLP的形成或固化过程、组成演变及其与PILP的关系知之甚少。

为了直接探究DLP的形成、组成和固化，在该工作中，来自美国西北太平洋国家实验室的Christopher J. Mundy教授和James J. De Yoreo教授团队研究了聚丙烯酸（PAA）和一种蛋白质对致密液相（DLP）形成和转变动力学的影响，并追踪了DLP化学组成和物理结构在向固体CaCO₃相转变过程中的演变，并使用分子模拟来理解溶液结构与产生DLP的化学之间的联系。该工作以题为“Formation, chemical evolution and solidification of the dense liquid phase of calcium (bi)carbonate”发表在《Nature Materials》上。

【DLP形成动力学的成像】

先前的研究表明，DLP（致密液相）可以由50 mM的CaCl₂和NaHCO₃溶液形成，并且可以通过添加1.2 kDa的PAA或酸性蛋白质来稳定。因此，作者使用等体积的100 mM CaCl₂和100 mM NaHCO₃溶液，在一系列初始pH值下，有无添加1.8 kDa的PAA或一种富含羧酸的从头设计的螺旋重复蛋白（DHR49-Neg）的情况下进行实验。作者设计DHR49-Neg是为了呈现一个带有羧基重复模式的平坦界面，该界面可以模拟CaCO₃多晶型的晶格平面。初步的离位和冷冻透射电子显微镜（cryo-TEM）成像表明，在这些条件下确实形成了DLP，这与先前的结论一致。因此，为了探索DLP的形成和转变动力学，作者使用透射电子显微镜（TEM）、核磁共振（NMR）或衰减全反射傅里叶变换红外（ATR-FTIR）仪器的液池来研究这些溶液。

当含有0.4 μM DHR49-Neg的前体溶液被引入透射电子显微镜（TEM）时，形成了低密度的小液滴乳浊液，这些小液滴按照r ∝ t^{(0.290 ± 0.005)}的规律生长，其中r为液滴半径，t为时间。这一生长速率与扩散生长所期望的速率定律r ∝ t^1/3相吻合，也符合在双节点或旋节点区域发生液-液相分离（LLPS）后，孤立液滴后期熟化的特征。尽管液滴可以达到微米级大小，但它们可能受到小体积单元中溶质耗竭、液体静止状态、表面存在以及开始固化所需时间的影响。在远离原始成像区域且尚未受到电子束辐照的地方，或在液滴形成所需初始时间段内关闭电子束时，也观察到了类似的现象。从以上现象可知，辐解不是导致DLP形成的原因。

随着液滴的扩散、旋转和碰撞，它们以类似液体的行为合并。根据融合后液滴向球形松弛的速率，可以估计DLP的粘度约为10⁶ Pa s。然而，早期的松弛速率较高，这意味着粘度随时间增加，这可能是由于开始固化，但也可能受到液滴尺寸增大时与液池膜相互作用增强的影响。因此，计算出的粘度是上限值。

在较高的CaCO₃浓度下，DLP演变成延伸且分支的虫状结构，预示着在混溶间隙深处LLPS特征的相互连接双连续网络的形成。

图1. 动力学成像

【DLP成分演化的量化】

使用与透射电子显微镜（TEM）相同的溶液条件，坐着进行了原位¹³C、⁴³Ca和¹H核磁共振（NMR）实验，以确定DLP的组成及其随时间的变化。将溶液引入核磁管后，观察到在161.40 ppm处有一个宽的¹³C共振峰，该峰随时间向较低频率移动，这是由于包含Ca²⁺和CO₃^2-离子簇的“液相凝聚态”的演变。然而，分析表明，该共振峰主要与Ca²⁺配位的HCO₃^-有关。

由于混合后pH值从8.7降至7.6，在收集第一个核磁共振（NMR）光谱时，161.10–161.40 ppm范围内积分得到的HCO₃^-浓度已从其初始的50 mM值略有下降，同时产生了约1.5 mM的溶解CO₂。随后，这两种浓度在20–30分钟内几乎保持不变，之后HCO₃^-迅速减少，CO₂以2:1的摩尔比增加。随后DLP分解以1:1的比例产生CO₂和CaCO₃。通过固态¹³C魔角旋转（MAS）NMR在168.7 ppm处观察到的宽共振峰证实了固体CaCO₃的同时形成，该峰随着CO₂的释放而增加，同时HCO₃^-以1:1:-2的摩尔比减少。此外，H₂O的¹H自旋-自旋弛豫时间T2的明显下降和随后的反弹表明，H₂O对于DLP的形成至关重要。

¹³C化学位移和线形的演变为进一步了解Ca(HCO₃)₂ DLP的生长和转变提供了线索。HCO₃^-的¹³C共振随时间从161.40 ppm向161.10 ppm移动，以及前20–30分钟内显著的峰宽增加随后峰形变窄，这与DLP中前20–30分钟内形成Ca²⁺–HCO₃^-离子缔合物，随后其分解消除结合态HCO₃^-并将HCO₃^-释放到本体溶液中的过程一致。为了更好地探究成核过程中的物质种类变化，作者采用了两种不同方法减缓反应：降低温度和引入添加剂。这两种方法分别以不同方式降低了HCO₃^-/CO₃^2-物种之间的交换速率，能够区分自由离子、本体中的离子对和DLP中的离子对。5°C下的测量证明了在DLP形成过程中，Ca·HCO₃（aq）向Ca·HCO₃（DLP）的转化。此外，在添加DHR49-Neg、牛血清白蛋白或聚丙烯酸（PAA）后，观察到类似的¹³C光谱演变，尽管在DLP分解期间，HCO₃^-向本体的释放在0.6 μM DHR49-Neg或2.75 μM牛血清白蛋白下更容易监测。因此，这些添加剂的共同作用是通过诱导更慢的转变来延长DLP的寿命。

这些核磁共振观测揭示了通过DLP形成CaCO₃的以下机制。首先，溶剂化的HCO₃^-和Ca²⁺在本体溶液中缔合形成离子对，这些离子对进而转化为富含H₂O的Ca²⁺·(HCO₃^-)₂ DLP。其次，DLP通过分解反应转变为无定形碳酸钙（ACC），该反应因添加聚丙烯酸（PAA）或蛋白质而减缓，并伴有CO₂、H₂O和HCO₃^-向本体溶液的释放。

随着pH值的升高，CO₃^2-/HCO₃^-比例增加，当溶液混合时，大部分溶液中的CO₃^2-会立即以固体CaCO₃的形式沉淀出来，因此从未存在于DLP中，或存在时间太短而无法被检测到。剩余的HCO₃^-信号表现出与低pH时相似的时间趋势，即初始时向更高频率发生大幅偏移并伴有峰宽增加，随后峰形变窄并持续向更低频率偏移。pH值较高时初始偏移幅度明显更大，表明形成了少量由Ca∙HCO₃和Ca∙CO₃离子对组成的复合DLP。添加0.4 µM DHR49-Neg再次减缓了反应，并揭示了在高pH下发生的复杂多步途径，该途径涉及ACC的瞬时沉淀、复合Ca·CO₃/Ca·HCO₃ DLP的形成及其分解以释放HCO₃^-，这驱动了Ca·HCO₃ DLP的重新形成，随后再次分解。

虽然Ca∙CO₃离子对可能在少量DLP中与Ca∙HCO3共存，但在较低pH下，富含Ca∙HCO₃且几乎不含或完全不含Ca∙CO₃的大量DLP是稳定的。DLP在低pH下更易形成的倾向也表明，在透射电子显微镜液体池中可能形成更大体积的DLP。此外，通过溶液NMR观测到的高度动态的DLP与通过TEM检测到的更粘稠的液滴存在显著差异，这是由于NMR和TEM的实验配置存在巨大差异。特别是，LP-TEM固有的限制、膜相互作用以及可能的一些轻微电子束效应可能导致了观察到的凝胶状DLP，而溶液NMR的受控且稳定环境则反映了未受干扰的液态状DLP。

图2. 原位¹³C和¹H谱

【探索从DLP到ACC的转变】

原位液体相位透射电子显微镜显示，DLP固化成含水无定形碳酸钙（ACC）的过程存在两种途径。第一种途径涉及先前报道过的空心颗粒的形成。形成后，颗粒的外壳变厚，在透射模式下观察时，内部会略微变暗，这表明向ACC的转变持续了一段时间。NMR和TEM数据之间的时间相关性表明，快速的CO₂释放发生在外壳形成时，而较慢的H₂O释放则与致密化和增厚过程相关。所得ACC外壳的厚度相对于颗粒半径的比例意味着，释放的物质占原始体积的比例不到24%。

第二种途径较为少见，它包括液滴内逐渐出现质量密度更高的颗粒，随后这些颗粒缓慢生长。虽然基于固化机制和灰度对比度与ACC外壳相似，这些颗粒很可能是ACC，但不能排除其中一些为晶体的可能性。

图3. 用LP-TEM观察了0.4 μM DHR49-Neg存在下DLP液滴向水合ACC的转变过程

【确定DLP的组成和物理性质】

已知DLP由Ca²⁺∙(HCO₃⁻)₂和水组成。得到的密度约为1.36 g cm⁻³，其组成为1Ca²⁺:2HCO₃⁻:nH₂O（n＝7.5 ± 1.7）。因此，每有一个Ca²⁺和两个HCO₃⁻离子反应生成含水无定形碳酸钙，就会释放约7.5 ± 1.7个H₂O分子和1个CO₂分子。一旦无定形碳酸钙从DLP中形成，它就会通过溶解-再结晶或假晶转变形成方解石或文石。

【理解DLP的形成和转变】

为了理解动态液体-液体分相（DLP）与液-液相分离（LLPS）前存在的溶液物种之间的关系，作者开发了一种经典模拟协议，该协议与之前用于研究CaCO₃溶液平衡物种分布和无定形簇发展的协议类似。

作者研究了HCO₃⁻占主导的情况。由于使用量子密度泛函理论得出的Ca²⁺与HCO₃⁻或CO₃²⁻之间的平均力势（PMF）的短程贡献相似，因此Ca²⁺与HCO₃⁻或CO₃²⁻之间整体结合的任何差异都源于由于价态不同而导致的长程库仑相互作用差异。作者首先通过执行数值滴定实验来估算模拟单元中在实验条件下HCO₃⁻/CO₃²⁻的物种分布。在这里，将pH视为纯粹是局部现象，因为在模拟中无法定义质子的活度。研究了CO₃²⁻物种的平衡电荷状态随假设pH值从“低”（存在HCl分子）到“高”（存在NaOH分子）范围内的变化。“中性”状态包括Na₂CO₃或CaCO₃。结果表明，如果从CaCO₃+HCl或NaHCO₃开始，HCO₃⁻的平衡电荷状态约为-1，表明在“酸性”条件下，HCO₃⁻是主要物种。这种方法模拟了实验过程，即溶液由NaHCO₃制备，导致在近中性条件下HCO₃⁻占主导地位，并且该结果证明在我们的分子模型中，当用CaCl₂滴定以提供游离Ca²⁺的来源时，将纯HCO₃⁻作为初始物种是合理的。

为了模拟动态液体-液体分相（DLP），作者开发了一种高效方法，该方法能够研究由Ca²⁺和HCO₃⁻组成的溶液是否能产生稳定的含水DLP，并考察其性质。利用该方法对一系列水化状态下的DLP结构和扩散系数进行了建模。结果表明，所有水化状态下均可预测出稳定的DLP。此外，获得了H₂O和HCO₃⁻的扩散常数约为10⁻⁷ cm² s⁻¹，且该常数随水化程度的增加而增加。此外，一个典型的DLP结构（每个离子对含有7个H2O分子）中，Ca²⁺与HCO₃⁻的平均配位数约为2–3，这与ACC的预期化学计量比不一致。然而，作者再次通过数值滴定CaCl₂溶液以产生大量与HCO₃⁻配对的游离Ca²⁺，从而可以进一步了解DLP向ACC的转变。在近中性条件下，Ca²⁺离子的局部作用是推动物种向CO₃²⁻转变。这是产生过量质子的必要步骤，该质子通过与HCO₃⁻反应释放CO₂气体，并为每个Ca²⁺离子形成一个H₂O分子，从而进一步推动系统向CO₃²⁻转变。然后通过排出H₂O产生含水ACC。

这些数值滴定表明，CO₃²⁻电荷状态的局部观点高度依赖于Ca²⁺的存在和接近程度。因此，综合计算结果表明，在近中性pH下向初始NaHCO₃混合物中添加Ca²⁺时，会首先形成含水的DLP，其中Ca²⁺与HCO₃⁻的接近度会推动其向富含CO₃²⁻的状态转变，从而导致含水ACC的形成。此外，高pH结果表明，较高pH的离子对混合物会直接转变为ACC多晶型物。

图4. DLP结构的模拟及提出的形成和转化途径

总结，本文采用原位方法研究了钙(双)碳酸盐的致密液相(DLP)的形成、化学演化和固化。发现DLP是通过液-液相分离形成的，并转化为中空的水合无定形CaCO₃颗粒。酸性蛋白质和聚合物可以延长DLP的寿命而不改变其反应路径或化学性质。分子模拟表明，DLP是通过溶剂化的Ca²⁺·(HCO₃⁻)₂络合物的直接凝聚形成的。这为理解通过液-液相分离介导的CaCO₃核化提供了见解，并推进了碳酸盐矿化和生物矿化过程的理解。

来源：高分子科学前沿

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