Tuning hardness in calcite by incorporation of amino acids

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作者
Yi‐Yeoun Kim,Joseph D. Carloni,Beatrice Demarchi,David Sparks,David G. Reid,Miki E. Kunitake,Chiu C. Tang,Melinda J. Duer,Colin L. Freeman,Boaz Pokroy,Kirsty Penkman,John H. Harding,Lara A. Estroff,Shefford P. Baker,Fiona C. Meldrum
出处
期刊:Nature Materials [Nature Portfolio]
卷期号:15 (8): 903-910 被引量:232
标识
DOI:10.1038/nmat4631
摘要

Structural biominerals are inorganic/organic composites that exhibit remarkable mechanical properties. However, the structure–property relationships of even the simplest building unit—mineral single crystals containing embedded macromolecules—remain poorly understood. Here, by means of a model biomineral made from calcite single crystals containing glycine (0–7 mol%) or aspartic acid (0–4 mol%), we elucidate the origin of the superior hardness of biogenic calcite. We analysed lattice distortions in these model crystals by using X-ray diffraction and molecular dynamics simulations, and by means of solid-state nuclear magnetic resonance show that the amino acids are incorporated as individual molecules. We also demonstrate that nanoindentation hardness increased with amino acid content, reaching values equivalent to their biogenic counterparts. A dislocation pinning model reveals that the enhanced hardness is determined by the force required to cut covalent bonds in the molecules. By means of a model of calcite single crystals containing high and tunable amounts of occluded amino acids, the hardness of the crystals can be quantitatively correlated with their composition.
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