方解石の結晶は見た目ほど完璧ではない(Not all calcite crystals are as perfect as they appear)

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2024-06-25 アルゴンヌ国立研究所(ANL)

カルサイトは、地球上で最も豊富な鉱物の一つであり、石灰石や大理石の主要成分です。カルサイトの結晶は菱面体形で、他のカルシウム炭酸塩の結晶形であるアラゴナイトやバテライトよりも安定しています。カルサイトの研究は、二酸化炭素を固体炭酸塩に変換し、長期的な炭素貯蔵を促進するため重要です。また、カルサイトの合成方法によっては内部構造が変わり、環境中の有害物質の吸収能力や機械的強度が変わることが分かっています。最近の研究では、カルサイトの結晶が合成方法により異なる内部構造を持つことが明らかになり、これが反応性に影響を与えることが示されました。この発見は、材料設計や触媒開発に新しい視点を提供します。

<関連情報>

3次元干渉X線回折イメージングによる非古典的結晶化によるカルサイト内部のナノ結晶性の可視化 Visualizing the Internal Nanocrystallinity of Calcite Due to Nonclassical Crystallization by 3D Coherent X-Ray Diffraction Imaging

Ana F. Suzana, Sang Soo Lee, Irene Calvo-Almazán, Wonsuk Cha, Ross Harder, Paul Fenter
Advanced Materials  Published: 25 April 2024
DOI:https://doi.org/10.1002/adma.202310672

Details are in the caption following the image

Abstract

The internal crystallinity of calcite is investigated for samples synthesized using two approaches: precipitation from solution and the ammonium carbonate diffusion method. Scanning electron microscopy (SEM) analyses reveal that the calcite products precipitated using both approaches have a well-defined rhombohedron shape, consistent with the euhedral crystal habit of the mineral. The internal structure of these calcite crystals is characterized using Bragg coherent diffraction imaging (BCDI) to determine the 3D electron density and the atomic displacement field. BCDI reconstructions for crystals synthesized using the ammonium carbonate diffusion approach have the expected euhedral shape, with internal strain fields and few internal defects. In contrast, the crystals synthesized by precipitation from solution have very complex external shapes and defective internal structures, presenting null electron density regions and pronounced displacement field distributions. These heterogeneities are interpreted as multiple crystalline domains, created by a nonclassical crystallization mechanism, where smaller nanoparticles coalescence into the final euhedral particles. The combined use of SEM, X-ray diffraction (XRD), and BCDI allows for structurally differentiating calcite crystals grown with different approaches, opening new opportunities to understand how grain boundaries and internal defects alter calcite reactivity.

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