解晶晶，鄒朝勇，傅正義

(武漢理工大學(xué) 材料復(fù)合新技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430070)

1 前 言

生物礦化是由生物體通過(guò)生物大分子的調(diào)控形成生物礦物的過(guò)程，主要用于支撐和保護(hù)生物軟組織。生物礦物通常是由無(wú)機(jī)礦物和少量有機(jī)質(zhì)組成的復(fù)合物，具有特殊形貌、結(jié)構(gòu)、組成和性能。常見(jiàn)的生物礦物包括脊椎動(dòng)物骨骼和牙齒中的磷酸鈣、非脊椎動(dòng)物外殼中的碳酸鈣以及海綿和硅藻等的細(xì)胞壁中的二氧化硅等[1, 2]。通過(guò)與少部分有機(jī)大分子復(fù)合形成復(fù)雜的多級(jí)結(jié)構(gòu)，這些天然生物礦物往往能兼具質(zhì)量輕、強(qiáng)度高和韌性好等特性，而人工合成的礦物晶體一般很難具有如此復(fù)雜的多級(jí)結(jié)構(gòu)和優(yōu)異的力學(xué)性能[3]。學(xué)習(xí)這些生物礦物結(jié)構(gòu)與性能之間的關(guān)系，制備具有類似結(jié)構(gòu)和性能的材料，是近20年來(lái)“仿生材料”研究方向的主要思想和方法。然而，人工制備的仿生材料在微結(jié)構(gòu)和性能的精細(xì)調(diào)控方面仍無(wú)法與自然生物礦物相媲美。武漢理工大學(xué)傅正義教授課題組最近提出“材料的過(guò)程仿生制備技術(shù)(bioprocess-inspired fabrication)”這一研究方向[4, 5]，即通過(guò)學(xué)習(xí)自然物質(zhì)的結(jié)構(gòu)形成過(guò)程，啟發(fā)和創(chuàng)新材料合成與加工技術(shù)。

通過(guò)研究生物礦物的形成過(guò)程發(fā)現(xiàn)，生物礦物并非都是由礦物晶體組成，約25%的生物礦物為無(wú)定形，即其原子排布并沒(méi)有長(zhǎng)程有序的周期性結(jié)構(gòu)[2]，主要表現(xiàn)為在X射線的作用下無(wú)明顯衍射峰。常見(jiàn)的無(wú)定形生物礦物包括無(wú)定形二氧化硅、無(wú)定形碳酸鈣(amorphous calcium carbonate, ACC)、無(wú)定形磷酸鈣(amorphous calcium phosphate, ACP)和無(wú)定形氧化鐵等[6, 7]。越來(lái)越多的研究表明，生物體內(nèi)穩(wěn)定的礦物晶體并非都是由溶液中的離子直接成核結(jié)晶形成，而是首先形成無(wú)定形礦物并以此作為前驅(qū)體轉(zhuǎn)化而來(lái)[8-10]。例如，海膽刺礦物的無(wú)機(jī)組成為含鎂的方解石單晶，其生長(zhǎng)過(guò)程是首先生成尺寸大約為50 nm、含有約15%水的無(wú)定形碳酸鈣，其隨后逐漸失水變成無(wú)水無(wú)定形碳酸鈣，進(jìn)而結(jié)晶轉(zhuǎn)化為方解石晶體[8]。在斑馬魚(yú)尾鰭骨的形成過(guò)程中也發(fā)現(xiàn)了大量的無(wú)定形磷酸鈣納米顆粒，它們隨著骨骼的成熟逐漸結(jié)晶轉(zhuǎn)化生成穩(wěn)定的磷酸鈣礦物晶體[9]。2015年，來(lái)自不同領(lǐng)域的科學(xué)家綜述了晶體生長(zhǎng)過(guò)程中的各種可能機(jī)理，認(rèn)為在結(jié)晶過(guò)程中組裝的基本單元可以是除離子、原子和分子等單體以外的多種形式，包括寡聚體、復(fù)合物、液滴、無(wú)定形納米顆粒和納米晶體等(圖1)[11]，這些基本單元通過(guò)聚合或者有序組裝等方式轉(zhuǎn)化為晶體。因此，重新審視不同體系下的晶體生長(zhǎng)過(guò)程可以更深入地理解晶體的生長(zhǎng)機(jī)理。2019年，浙江大學(xué)唐?？到淌趫F(tuán)隊(duì)提出通過(guò)“無(wú)機(jī)離子寡聚體及其聚合反應(yīng)”將無(wú)定形碳酸鈣轉(zhuǎn)變?yōu)樘妓徕}單晶[12]，即通過(guò)將易揮發(fā)、毒性小的三乙胺分子加入到碳酸鈣乙醇溶液中，三乙胺分子以快于其他碳酸根離子的速度移動(dòng)至高濃度碳酸鈣離子聚集體，搶先占領(lǐng)它們繼續(xù)聚集或長(zhǎng)大的有利位置，阻斷其與外界其他碳酸鈣的聯(lián)系，從而形成無(wú)機(jī)離子寡聚體，再通過(guò)揮發(fā)去除乙醇和三乙胺分子，實(shí)現(xiàn)寡聚體的聚合交聯(lián)形成碳酸鈣單晶。這一方法將傳統(tǒng)有機(jī)聚合的方法運(yùn)用在傳統(tǒng)無(wú)機(jī)材料制備上，可以像做塑料一樣制備不同形狀的無(wú)機(jī)晶體，在3D打印和物質(zhì)修復(fù)等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。

圖1 顆粒聚集結(jié)晶的途徑：經(jīng)典晶體生長(zhǎng)模型中基本組裝單元為離子、原子和分子等單體，而顆粒聚集結(jié)晶過(guò)程中的基本組裝單元包括寡聚體、復(fù)合物、液滴、無(wú)定形納米顆粒以及弱結(jié)晶和完整結(jié)晶的納米顆粒等更大尺度的種類[11]Fig.1 Pathways to crystallization by particle attachment: in classical models of crystal growth, the basic assembly unit is the monomer including ions, atoms and molecules, however crystallization by particle attachment occurs by the addition of higher-order species ranging from oligomers to complexes, droplets, amorphous nanoparticles, poorly crystalline nanoparticles and nanocrystals[11]

碳酸鈣是地球上含量最多的生物礦物之一，其由于在大氣碳循環(huán)、古氣候重建、海水酸化和生物礦化過(guò)程中的重要性而被廣泛研究。目前已知的碳酸鈣晶體包括3種無(wú)水晶型(CaCO3)：方解石、文石和球霰石，以及3種含水晶相：六水碳酸鈣(CaCO3·6H2O)、一水碳酸鈣(CaCO3·1H2O)和半水碳酸鈣(CaCO3·0.5H2O)[13]。無(wú)定形碳酸鈣具有很高的溶解度，在水溶液中很容易結(jié)晶轉(zhuǎn)化生成熱力學(xué)更穩(wěn)定的碳酸鈣晶體，而生物體可以非常精確地調(diào)控其結(jié)晶轉(zhuǎn)化過(guò)程。小龍蝦的胃石中，無(wú)定形碳酸鈣甚至能穩(wěn)定存在很多年[14]。然而，無(wú)定形碳酸鈣在溶液中的穩(wěn)定性以及其結(jié)晶過(guò)程并不清楚，到底是其結(jié)構(gòu)本身還是其所處的環(huán)境決定其轉(zhuǎn)化過(guò)程，也還需要進(jìn)一步研究[15-17]，無(wú)定形碳酸鈣結(jié)晶轉(zhuǎn)化過(guò)程所得到的晶體的物相、形貌和結(jié)構(gòu)也很難調(diào)控。因此，研究無(wú)定形礦物的穩(wěn)定性及其結(jié)晶轉(zhuǎn)化過(guò)程，對(duì)于理解具有多級(jí)結(jié)構(gòu)和優(yōu)異性能的生物礦物的形成機(jī)制具有十分重要的意義。

本文將從以下3個(gè)方面來(lái)介紹近幾年關(guān)于無(wú)定形碳酸鈣的穩(wěn)定性和結(jié)晶轉(zhuǎn)化過(guò)程調(diào)控方面的研究進(jìn)展和代表性成果：(1)無(wú)定形碳酸鈣的本征特性；(2)外部環(huán)境因素的影響；(3)添加劑的影響。同時(shí)將闡述以無(wú)定形物相為前驅(qū)體的結(jié)晶過(guò)程的優(yōu)勢(shì)，并展望該領(lǐng)域未來(lái)的發(fā)展方向。

2 無(wú)定形碳酸鈣的本征特性

無(wú)定形碳酸鈣通常分為無(wú)水無(wú)定形碳酸鈣和含水無(wú)定形碳酸鈣，后者的含水量(H2O和CaCO3的摩爾比)介于0.4～6之間[18-21]。無(wú)定形材料與晶體材料最大的區(qū)別在于無(wú)定形材料不具有長(zhǎng)程有序的周期性結(jié)構(gòu)，但是它可以擁有短程有序的微結(jié)構(gòu)。X射線對(duì)函數(shù)分布分析顯示無(wú)定形碳酸鈣的短程有序結(jié)構(gòu)尺度在1.5 nm以內(nèi)[22]。有趣的是，一些生物體內(nèi)或特定化學(xué)條件下形成的無(wú)定形碳酸鈣其短程有序結(jié)構(gòu)與方解石、球霰石和文石晶體的短程有序結(jié)構(gòu)有一定的相似性[23, 24]。然而，從高過(guò)飽和度溶液中得到的無(wú)定形碳酸鈣的短程有序結(jié)構(gòu)與任何碳酸鈣晶體都沒(méi)有相似性[25]。因此，從結(jié)構(gòu)和組成上看，無(wú)定形碳酸鈣并不是一種物相，而是一系列具有不同結(jié)構(gòu)和組成的物相家族[7]。

生物體內(nèi)的無(wú)定形碳酸鈣通常為數(shù)十納米至數(shù)百納米的球形顆粒(圖2a～2c)[14, 26, 27]，溶液沉淀法得到的無(wú)定形碳酸鈣粒徑尺度也在這個(gè)范圍(圖2d和2e)[28-30]，其尺寸取決于溶液的過(guò)飽和度、溫度以及添加劑的種類與濃度等因素。例如，室溫下當(dāng)碳酸鈣溶液的濃度為5 mmol/L時(shí)得到的無(wú)定形碳酸鈣尺寸在200 nm左右(圖2d)，而濃度為40 mmol/L時(shí)其尺寸僅為70 nm左右(圖2e)[30]。此外，少量的添加劑如磷酸根離子能顯著降低無(wú)定形碳酸鈣的尺寸至30 nm以下[29]。最近，Zou等[21]以室溫下不穩(wěn)定的六水碳酸鈣晶體為前驅(qū)體，通過(guò)抽濾快速脫水抑制結(jié)晶的方法成功制備了具有高比表面積和內(nèi)部貫通孔道結(jié)構(gòu)的無(wú)定形碳酸鈣，但它同時(shí)保留了六水碳酸鈣的晶體外形(圖2f)。

圖2 生物以及合成無(wú)定形碳酸鈣的形貌：(a)小龍蝦胃石橫截面SEM照片顯示直徑約100～200 nm的無(wú)定形碳酸鈣小球[14]；(b)從榕樹(shù)葉片提取的囊藻的表面SEM照片顯示直徑約20 nm的無(wú)定形碳酸鈣小球[26]；(c)海膽幼體刺冷凍掃描電鏡照片顯示其內(nèi)部囊泡中的納米球尺寸約20～30 nm[27]；(d)在濃度為5 mmol/L碳酸鈣溶液中合成的無(wú)定形碳酸鈣小球直徑約200 nm[30]；(e)在濃度為40 mmol/L碳酸鈣溶液中合成的無(wú)定形碳酸鈣小球直徑約70 nm[30]；(f)六水碳酸鈣晶體快速失水轉(zhuǎn)化得到的無(wú)定形碳酸鈣塊體[21]Fig.2 Morphology of biogenic and synthetic ACC: (a) the crayfish gastrolith cross-section SEM image showing ACC nanospheres with a diameter of 100～200 nm[14]; (b) the surface SEM image of a cystolith extracted from Ficus microcarpa leaves showing ACC nanospheres with a diameter of about 20 nm[26]; (c) Cryo-SEM image of the forming spicule in sea urchin embryos showing naonospheres with a diameter of 20～30 nm[27]; (d) ACC nanospheres with diameter of about 200 nm synthesized from 5 mmol/L calcium carbonate solution[30]; (e) ACC nanospherse with diameter of about 70 nm synthesized from 40 mmol/L calcium carbonate solution[30]; (f) ACC bulk transformed from fast dehydration of calcium carbonate hexahydrate[21]

水作為無(wú)定形碳酸鈣的重要組成部分，在其結(jié)晶轉(zhuǎn)化過(guò)程中起著非常重要的作用。例如，Politi等[31]發(fā)現(xiàn)生物體如海膽幼體針刺內(nèi)的含水無(wú)定形碳酸鈣在轉(zhuǎn)化成方解石單晶的過(guò)程中，會(huì)首先失水變成無(wú)水無(wú)定形碳酸鈣，再通過(guò)二次成核機(jī)理轉(zhuǎn)化為方解石晶體。Radha等[19]通過(guò)等溫酸溶液量熱法和差示掃描量熱法研究無(wú)定形碳酸鈣在結(jié)晶過(guò)程中的能量變化發(fā)現(xiàn)，生物體內(nèi)的無(wú)定形碳酸鈣和化學(xué)合成的無(wú)水無(wú)定形碳酸鈣具有相近的能量值，其比化學(xué)合成的含水無(wú)定形碳酸鈣的低，但是比結(jié)晶態(tài)碳酸鈣物相高(圖3a)。這表明含水無(wú)定形碳酸鈣在失水過(guò)程中的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變是一個(gè)放熱且不可逆的轉(zhuǎn)變。然而，Albéric等[32]最近研究發(fā)現(xiàn)，含水無(wú)定形碳酸鈣在結(jié)晶轉(zhuǎn)化成方解石的過(guò)程中伴隨短程有序結(jié)構(gòu)的變化，進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)其結(jié)晶焓變與其含水量呈線性關(guān)系，且無(wú)水無(wú)定形碳酸鈣比含水無(wú)定形碳酸鈣的焓變更大(圖3b)。這與Radha等得到的結(jié)果相反，原因可能是Radha等使用的含水碳酸鈣是在高pH值的溶液中合成的。研究表明pH值對(duì)無(wú)定形碳酸鈣的結(jié)構(gòu)有很大的影響[20]。Albéric等[32]進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，無(wú)定形碳酸鈣的結(jié)晶轉(zhuǎn)化過(guò)程并非主要取決于其熱力學(xué)穩(wěn)定性，而更多取決于動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定因素。

無(wú)定形碳酸鈣的尺寸對(duì)其穩(wěn)定性有很大的影響。Nudelman等[16]采用微流控裝置調(diào)節(jié)反應(yīng)時(shí)間并以聚天冬氨酸包覆抑制無(wú)定形碳酸鈣的生長(zhǎng)，成功控制了無(wú)定形碳酸鈣的尺寸。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)無(wú)定形碳酸鈣的尺寸小于100 nm時(shí)，聚天冬氨酸的包覆可以使其在水溶液中穩(wěn)定存在48 h以上，而更大尺寸的無(wú)定形碳酸鈣則容易結(jié)晶生成球霰石。隨后，Zou等[30]使用自動(dòng)電位滴定儀通過(guò)調(diào)節(jié)碳酸鈣溶液的濃度成功制備了結(jié)構(gòu)和組成相同但尺寸不同的無(wú)定形碳酸鈣，并研究了其在水溶液中和空氣中加熱條件下的穩(wěn)定性和結(jié)晶轉(zhuǎn)化過(guò)程。研究發(fā)現(xiàn)，顆粒尺寸在這兩種條件下對(duì)無(wú)定形碳酸鈣的穩(wěn)定性起著相反的作用：在水溶液中，尺寸越小的無(wú)定形碳酸鈣溶解度越高，因而更加不穩(wěn)定(圖4a)；而在空氣中加熱的情況下，尺寸越小的無(wú)定形碳酸鈣反而越穩(wěn)定(圖4b)。最近，Du等[33]使用微流體噴霧干燥的方法合成無(wú)定形碳酸鈣，通過(guò)控制形成時(shí)間調(diào)控其水含量/尺寸，并研究了其在電子束輻射和加熱條件下的穩(wěn)定性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，兩種條件下小尺寸的無(wú)定形碳酸鈣都比大尺寸的無(wú)定形碳酸鈣更加穩(wěn)定。同時(shí)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該方法制備的無(wú)定形碳酸鈣的含水量與其尺寸呈正相關(guān)，表明水在碳酸鈣結(jié)晶轉(zhuǎn)化過(guò)程中也起著較為重要的作用。

圖3 不同類型的無(wú)定形碳酸鈣、球霰石和文石相對(duì)于方解石的能量學(xué)穩(wěn)定性(a)[19]；不同含水量的無(wú)定形碳酸鈣相對(duì)于方解石的焓變?chǔ)(無(wú)定形碳酸鈣、含鎂無(wú)定形碳酸鈣以及含磷無(wú)定形碳酸鈣分別用灰色、藍(lán)色和紅色正方形表示)、熵變(-TΔS)和吉布斯自由能變化(ΔG)(b)[32] Fig.3 Relative energetic stabilities of different calcium carbonate phases with respect to calcite (a)[19]; ΔH(ACC, magnesium-containing ACC and phosphate-containing ACC are represented by grey, blue and red squares, respectively), -TΔS and ΔG of ACC with different hydration levels with respect to calcite (b)[32]

圖4 無(wú)定形碳酸鈣在水溶液和空氣中加熱條件下的穩(wěn)定性[30]：(a)不同尺寸的無(wú)定形碳酸鈣在水中的溶解度；(b)不同尺寸的無(wú)定形碳酸鈣的熱重/差示掃描量熱(TG/DSC)曲線，圖中虛線代表吸熱峰(1)以及第一(2)和第二(3)個(gè)放熱峰的位置Fig.4 Stability of ACC in water and during heating in air[30]: (a) Average apparent solubility of ACC with different particle sizes; (b) TG/DSC curves of ACC with different particle sizes, dashed lines indicate the positions of the first endothermic peak (1) and the first (2) and second (3) exothermic peak

3 外部環(huán)境因素的影響

3.1 濕度對(duì)無(wú)定形碳酸鈣穩(wěn)定性的影響

無(wú)定形碳酸鈣在水溶液中的結(jié)晶轉(zhuǎn)化過(guò)程非常迅速，室溫下幾分鐘內(nèi)則可轉(zhuǎn)變?yōu)榉浇馐颓蝣笔w，而當(dāng)無(wú)定形碳酸鈣從水溶液中迅速分離出來(lái)且保存在干燥無(wú)水環(huán)境下時(shí)，其能穩(wěn)定存在較長(zhǎng)時(shí)間[30, 34]。最近，Konrad等[17]詳細(xì)研究了無(wú)定形碳酸鈣在不同濕度條件下的轉(zhuǎn)化過(guò)程，發(fā)現(xiàn)無(wú)定形碳酸鈣如果放置在濕度為25%的空氣中時(shí)，會(huì)在幾天內(nèi)結(jié)晶生成球霰石和方解石；當(dāng)置于半密閉容器中時(shí)，其穩(wěn)定性可提升至幾周到數(shù)月；而在密閉容器或者干燥器中可以穩(wěn)定保存5個(gè)月以上。研究結(jié)果表明，無(wú)定形碳酸鈣與空氣接觸時(shí)會(huì)吸附一定的水在其表面，當(dāng)環(huán)境濕度較高時(shí)，表面吸附的水分子能促進(jìn)無(wú)定形碳酸鈣的溶解和再結(jié)晶，這與溶液中的轉(zhuǎn)化過(guò)程相似。

3.2 限域條件下的結(jié)晶轉(zhuǎn)化過(guò)程

研究發(fā)現(xiàn)，在海膽胚芽骨骼以及斑馬魚(yú)幼體骨形成過(guò)程中，無(wú)定形礦物首先出現(xiàn)在細(xì)胞中的囊泡內(nèi)，然后轉(zhuǎn)移到礦化位點(diǎn)結(jié)晶[35]。在其他生物礦物如哺乳動(dòng)物骨骼和鈣藻等形成過(guò)程中，也發(fā)現(xiàn)了含有礦物的囊泡結(jié)構(gòu)[36, 37]。這些囊泡狀的結(jié)構(gòu)尺寸小且能有效避免內(nèi)部礦物與外部環(huán)境接觸，從而能抑制礦物的溶解和結(jié)晶。早在2004年，Meldrum等[38]就開(kāi)始使用蝕刻膜研究碳酸鈣在限域條件下的礦化，他們發(fā)現(xiàn)當(dāng)無(wú)定形碳酸鈣完全填充孔徑為3，0.8和0.2 μm的膜的孔道時(shí)，其生成的棒狀方解石單晶能完美模擬孔道的外形(圖5a～5c)。在聚電解質(zhì)的作用下，無(wú)定形碳酸鈣更容易滲透到孔徑為200和50 nm多孔膜里面且結(jié)晶轉(zhuǎn)化成具有高長(zhǎng)徑比的方解石單晶(圖5d和5e)[39]。在此基礎(chǔ)上，該課題組進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，當(dāng)納米孔道的尺寸減小至50和25 nm時(shí)，在一定的鎂離子和硫酸根離子濃度下，形成了體相溶液中原來(lái)無(wú)法形成的文石相單晶[40]。此外，還研究了微量碳酸鈣溶液液滴中碳酸鈣的結(jié)晶過(guò)程，發(fā)現(xiàn)在這種限域條件下無(wú)定形碳酸鈣轉(zhuǎn)化的速率顯著低于體相溶液中的轉(zhuǎn)化過(guò)程[41]。Joester課題組[42, 43]則從另一個(gè)角度研究了無(wú)定形碳酸鈣在限域條件下的轉(zhuǎn)化過(guò)程。他們以磷脂雙分子層組裝形成的直徑約0.1～1 μm的隔間作為反應(yīng)器，將氯化鈣溶液包裹在其中。碳酸根離子從反應(yīng)器外部逐漸擴(kuò)散進(jìn)去，與鈣離子結(jié)合生成無(wú)定形碳酸鈣。該研究發(fā)現(xiàn)，與直接在混合溶液中生成的無(wú)定形碳酸鈣相比，在脂質(zhì)體中得到的無(wú)定形碳酸鈣更加穩(wěn)定，其原因可能是限域條件下晶體的成核速率顯著降低。因此，限域條件對(duì)無(wú)定形碳酸鈣的穩(wěn)定性以及結(jié)晶轉(zhuǎn)化過(guò)程具有非常好的調(diào)控能力。

圖5 刻蝕膜限域條件下得到的碳酸鈣晶體的掃描電鏡照片：(a～c)將孔徑分別為3，0.8和0.2 μm的膜在0.1 mol/L CaCl2/Na2CO3溶液礦化處理24 h得到的碳酸鈣晶體[38]；將孔徑為200(d)和50 nm (e，f)的膜在含聚丙烯酸濃度為10 μg/mL的碳酸鈣前驅(qū)體溶液中礦化處理得到的碳酸鈣晶體[39]Fig.5 SEM images of calcium carbonate crystals obtained under confinement in track-etched membrane: (a～c) calcium carbonate formed in membrane pores of diameter 3，0.8 and 0.2 μm from 0.1 mol/L CaCl2/Na2CO3 solutions after incubation for 24 h[38]; calcium carbonate formed in membrane pores of diameter 200 (d) and 50 nm (e, f) from calcium carbonate precursor solutions with 10 μg/mL polyacrylic acid (PAA) [39]

4 添加劑的影響

生物體所采取的調(diào)控礦物的策略中，最受關(guān)注的是可溶性添加劑的調(diào)控，包括無(wú)機(jī)離子和有機(jī)大分子。添加劑一方面能調(diào)控礦物晶體的形貌和結(jié)構(gòu)，另一方面能通過(guò)嵌入礦物晶體的內(nèi)部來(lái)增強(qiáng)礦物的力學(xué)性能[44, 45]。研究表明，無(wú)定形相由于在過(guò)飽和溶液中快速形成，可以嵌入更多的無(wú)機(jī)離子和有機(jī)分子，且在特定的結(jié)晶轉(zhuǎn)化過(guò)程中得以保留[46, 47]。生物體內(nèi)以無(wú)定形碳酸鈣為前驅(qū)體形成的方解石中，鎂離子含量甚至可高達(dá)40%(摩爾分?jǐn)?shù))[46]。關(guān)于添加劑對(duì)碳酸鈣晶體形貌的調(diào)控和晶型的選擇等已有大量的研究。然而，對(duì)它們?cè)谝詿o(wú)定形礦物為前驅(qū)體的結(jié)晶過(guò)程中的作用則研究得較少。常見(jiàn)的能穩(wěn)定無(wú)定形碳酸鈣的添加劑包括鎂離子[48-51]、硅酸根離子[52, 53]、磷酸根離子[14, 54, 55]等無(wú)機(jī)離子以及聚天冬氨酸[56, 57]、富含羧基的蛋白[1, 58]和磷酸化的蛋白[50, 59]等有機(jī)大分子。

在水溶液中添加劑能穩(wěn)定無(wú)定形碳酸鈣，通常是基于抑制碳酸鈣晶體的成核和生長(zhǎng)。Gower等[60]此前發(fā)現(xiàn)大分子量的聚天冬氨酸能促進(jìn)液滴狀無(wú)定形礦物前驅(qū)體的形成，隨后逐漸固化形成碳酸鈣晶體。Zou等[61]進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)無(wú)定形碳酸鈣納米顆粒內(nèi)部的聚天冬氨酸對(duì)其在水溶液中的穩(wěn)定性沒(méi)有明顯影響，而顆粒表面以及溶液中聚天冬氨酸的含量對(duì)無(wú)定形碳酸鈣的穩(wěn)定性起著決定性作用，即隨著聚天冬氨酸的濃度升高，無(wú)定形碳酸鈣的穩(wěn)定性顯著提升(圖6a和6b)。更有趣的是，當(dāng)聚天冬氨酸的濃度較低時(shí)，無(wú)定形碳酸鈣通過(guò)“溶解再結(jié)晶”的方式轉(zhuǎn)化為方解石以及球霰石，且球霰石的含量顯著低于純碳酸鈣溶液的結(jié)晶產(chǎn)物。而當(dāng)聚天冬氨酸濃度較高時(shí)，方解石從溶液中的成核和結(jié)晶被完全抑制，此時(shí)，無(wú)定形碳酸鈣只能以“假形相轉(zhuǎn)變”機(jī)理轉(zhuǎn)化為球霰石(圖6c和6d)。另一個(gè)顯著的例子是鎂離子，它能抑制方解石的成核和結(jié)晶，從而促進(jìn)亞穩(wěn)態(tài)的文石相的形成[62]。此外，鎂離子能顯著提高無(wú)定形碳酸鈣的穩(wěn)定性并促進(jìn)一水碳酸鈣和六水碳酸鈣的形成[48, 63]。最近，Zou等[13]在研究鎂離子對(duì)無(wú)定形碳酸鈣結(jié)晶過(guò)程的影響時(shí)發(fā)現(xiàn)了一種全新的含水碳酸鈣物相，半水碳酸鈣。其中，無(wú)定形碳酸鈣作為前驅(qū)體以及合適的鎂離子濃度對(duì)半水碳酸鈣物相的形成有著至關(guān)重要的作用。研究結(jié)果表明，影響無(wú)定形碳酸鈣穩(wěn)定性以及結(jié)晶轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵是溶液中的鎂離子，其與聚天冬氨酸的作用機(jī)理是一致的。此外，中國(guó)科學(xué)院上海硅酸鹽研究所的朱英杰研究員課題組發(fā)現(xiàn)，腺嘌呤核苷三磷酸(ATP)能顯著提升無(wú)定形碳酸鈣在水溶液和磷酸鹽緩沖溶液中的穩(wěn)定性[59]。

圖6 聚天冬氨酸對(duì)無(wú)定形碳酸鈣的穩(wěn)定性及結(jié)晶轉(zhuǎn)化過(guò)程的影響：在無(wú)定形碳酸鈣形成后迅速加入不同濃度的聚天冬氨酸，pH值(a)和鈣離子濃度(b)隨時(shí)間變化情況；結(jié)晶產(chǎn)物中球霰石物相和方解石物相的比例(c)；無(wú)定形碳酸鈣以及結(jié)晶后球霰石的透射電鏡照片(d)[61]Fig.6 Influence of poly(Aspartic acid) (pAsp) on the stability and crystallization of ACC: different amounts of pAsp were added immediately after the precipitation of ACC and the corresponding pH value (a) and Ca2+ concentration activity (b) evolution with time； weight fraction of vaterite and calcite in the crystallization products (c)； TEM images of ACC and the vaterite after crystallization (d)[61]

在空氣中加熱轉(zhuǎn)化時(shí)，不同類型的添加劑表現(xiàn)出不同的效果。首先，純相無(wú)定形碳酸鈣在加熱過(guò)程中會(huì)逐漸失去表面吸附水以及內(nèi)部結(jié)合較強(qiáng)的結(jié)構(gòu)水，其短程有序結(jié)構(gòu)在失水的過(guò)程中會(huì)逐漸發(fā)生變化[20, 32]。Ihli等[64]研究無(wú)定形碳酸鈣在結(jié)晶過(guò)程中的能量變化與含水量的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)無(wú)定形碳酸鈣在加熱條件下的結(jié)晶過(guò)程起始于納米顆粒的表面，即：當(dāng)溫度升高到一定程度時(shí)，納米顆粒表面的殘留水會(huì)首先誘發(fā)表面結(jié)構(gòu)的部分溶解和再結(jié)晶，隨后顆粒內(nèi)部進(jìn)一步迅速通過(guò)固相轉(zhuǎn)化機(jī)理結(jié)晶。此外，鎂離子、硫酸根離子和天冬氨酸單體等小分子能提高無(wú)定形碳酸鈣的結(jié)晶溫度，而聚天冬氨酸和聚苯乙烯磺酸鈉等有機(jī)大分子則能降低無(wú)定形碳酸鈣的結(jié)晶溫度[65]。例如，含有大分子添加劑的無(wú)定形碳酸鈣在70 ℃下保溫12 h結(jié)晶轉(zhuǎn)化為方解石，而純的以及含有小分子添加劑的無(wú)定形碳酸鈣則不結(jié)晶。最近，Zou等[66]發(fā)現(xiàn)添加劑對(duì)無(wú)定形碳酸鈣的穩(wěn)定效果不僅取決于添加劑的種類，也取決于它們?cè)跓o(wú)定形碳酸鈣納米顆粒中的分布。其原因是不同的添加劑穩(wěn)定無(wú)定形碳酸鈣的機(jī)理不一樣，如聚天冬氨酸通過(guò)吸附在納米顆粒表面來(lái)抑制方解石在表面的成核，而磷酸根離子和氫氧根離子則通過(guò)嵌入到無(wú)定形碳酸鈣內(nèi)部來(lái)抑制離子的可動(dòng)性，進(jìn)而抑制晶體的生長(zhǎng)。

5 結(jié) 語(yǔ)

生物礦物是在環(huán)境溫度下由細(xì)胞控制合成的具有復(fù)雜多級(jí)結(jié)構(gòu)和優(yōu)異性能的有機(jī)-無(wú)機(jī)復(fù)合材料。理解生物礦化的機(jī)理有助于發(fā)展室溫或者低溫下高性能材料的合成與加工新技術(shù)，對(duì)高性能陶瓷及復(fù)合材料的制備以及生物醫(yī)學(xué)工程等領(lǐng)域具有非常重大的意義。相比經(jīng)典成核和結(jié)晶過(guò)程，以無(wú)定形物相為前驅(qū)體的晶體生長(zhǎng)過(guò)程有更多的優(yōu)勢(shì)，包括：① 無(wú)定形相由于較高的溶解度和較好的可塑性，更容易形成具有特定形貌和結(jié)構(gòu)的晶體；② 無(wú)定形相由于能在過(guò)飽和溶液中快速形成，可以嵌入更多的無(wú)機(jī)離子和有機(jī)分子，且在特定的結(jié)晶轉(zhuǎn)化過(guò)程中得以保留，從而能極大增強(qiáng)晶體的力學(xué)性能；③ 通過(guò)調(diào)控?zé)o定形相的結(jié)晶轉(zhuǎn)化過(guò)程可以制備經(jīng)典成核和結(jié)晶過(guò)程難以或者無(wú)法得到的新材料。因此，該領(lǐng)域未來(lái)發(fā)展方向主要包括：① 進(jìn)一步研究限域條件和添加劑等對(duì)無(wú)定形物相的形成和結(jié)晶轉(zhuǎn)化過(guò)程的調(diào)控機(jī)理，實(shí)現(xiàn)具有復(fù)雜多級(jí)結(jié)構(gòu)的晶體的可控制備；② 將無(wú)定形碳酸鈣的穩(wěn)定性和結(jié)晶轉(zhuǎn)化機(jī)理拓展到其它功能性無(wú)定形材料，不斷提升無(wú)定形材料在實(shí)際應(yīng)用中的穩(wěn)定性；③ 進(jìn)一步探索以其他無(wú)定形材料為前驅(qū)體制備新材料的可能性。