Impact of Mg 2+ and pH on amorphous calcium carbonate nanoparticle formation: Implications for biomineralization and ocean acidification

成核 结晶 纳米颗粒 材料科学 矿物学 化学 纳米技术 有机化学
作者
Lucas Kuhrts,Hadar Shaked,Johanna Sklar,Elena Prudnikov,Sylvain Prévost,Gouranga Manna,Michael Sztucki,Alexander Katsman,Boaz Pokroy
出处
期刊:Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America [National Academy of Sciences]
卷期号:122 (19)
标识
DOI:10.1073/pnas.2421961122
摘要

Crystallization by amorphous calcium carbonate (ACC) particle attachment (CPA) is a prevalent biomineralization mechanism among calcifying organisms. A narrow, controlled size distribution of ACC nanoparticles is essential for macroscopic crystal formation via CPA. Using in situ synchrotron small-angle X-ray scattering, we demonstrate that synthetic magnesium-stabilized ACC (Mg-ACC) nanoparticles form with an exceptionally narrow size distribution near the spinodal line during liquid–liquid phase separation. We monitored ACC formation kinetics at pH 8.4 to 8.9 and Mg 2 + contents of 50 to 80%, observing a 2-order magnitude rise in nucleation kinetics for a 0.1 pH increase and a 6-order magnitude rise for a 10% Mg 2 + decrease. Within the binodal region, faster nucleation kinetics result in more monodisperse particles, narrowing the particle size distribution by factors of 2 for a pH increase of merely 0.1 and by a factor of 3 for a 10% Mg 2 + decrease. While the influence of Mg 2 + on calcite biomineralization is well studied, its effect on Mg-ACC formation and particle size distribution-an essential parameter in CPA-based biomineralization pathways-remained unexplored. These findings highlight the delicate interplay of pH and Mg 2 + in controlling the kinetics and thermodynamics of Mg-ACC formation, significantly impacting particle size distribution.
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