Molti organismi possono produrre minerali o tessuti mineralizzati. Un esempio ben noto è la madreperla, utilizzata in gioielleria per i suoi colori iridescenti. Chimicamente parlando, la sua formazione inizia con un mollusco che estrae ioni calcio e carbonato dall'acqua. Tuttavia, gli esatti processi e le condizioni che portano alla madreperla, un composto di biopolimeri e piastrine di carbonato di calcio cristallino, sono oggetto di un intenso dibattito tra gli esperti ed esistono diverse teorie.
I ricercatori concordano sul fatto che gli intermedi non cristallini, come il carbonato di calcio amorfo (ACC), svolgono un ruolo cruciale nella biomineralizzazione. Le aragoste e altri crostacei, ad esempio, mantengono una scorta di ACC nello stomaco, che usano per costruire un nuovo guscio dopo la muta. In un recente studio pubblicato su Nature Communications , i ricercatori dell'Università di Costanza e dell'Università Leibniz di Hannover sono ora riusciti a decifrare il percorso di formazione dell'ACC.
I ricercatori guidati da Denis Gebauer (Università Leibniz di Hannover) e Guinevere Mathies (Università di Costanza) hanno approfittato del fatto che l'ACC può essere sintetizzato non solo da organismi viventi, ma anche in laboratorio. Utilizzando metodi avanzati come la spettroscopia di risonanza magnetica nucleare con rotazione ad angolo magico (MAS NMR), hanno analizzato minuscole particelle ACC per determinarne la struttura.
"Abbiamo faticato a interpretare gli spettri dell'ACC. Ci hanno suggerito dinamiche che all'inizio non eravamo in grado di modellare", afferma Mathies.
Un indizio importante è stato fornito dai colleghi dell’Università Leibniz di Hannover. Maxim Gindele del gruppo Gebauer ha dimostrato che l'ACC conduce l'elettricità. Dato che le particelle dell'ACC sono molto fragili e hanno una dimensione di solo decine di nanometri, non è stato così facile come inserire due cavi.
Invece, le misurazioni sono state effettuate utilizzando la microscopia a forza atomica a conduttività (C-AFM), in cui le particelle ACC su una superficie piana vengono rilevate da un minuscolo cantilever che scansiona la superficie e visualizzate con l’aiuto di un raggio laser. Quando il cantilever viene posizionato su una delle nanoparticelle, una corrente viene fatta passare attraverso la sua punta per misurare la conduttività.
Informato dall'osservazione della conduttività, Sanjay Vinod Kumar del gruppo Mathies ha eseguito ulteriori esperimenti MAS NMR volti a sondare la dinamica. Hanno indicato due ambienti chimici distinti nelle particelle ACC. Nel primo ambiente, le molecole d'acqua sono immerse nel carbonato di calcio rigido e possono subire capovolgimenti solo di 180 gradi. Il secondo ambiente è costituito da molecole d'acqua sottoposte a lenta rotazione e traslazione, con ioni idrossido disciolti.
"La sfida rimanente era conciliare i due ambienti con la conduttività osservata. I sali solidi sono isolanti e quindi il secondo ambiente mobile doveva svolgere un ruolo", afferma Mathies. Nel nuovo modello, le molecole d’acqua mobili formano una rete attraverso le nanoparticelle ACC. Gli ioni idrossido disciolti trasportano la carica.
I ricercatori possono anche spiegare la formazione dei due ambienti chimici:nell'acqua, gli ioni calcio e carbonato tendono a restare uniti e a formare aggregati dinamici chiamati cluster di pre-nucleazione. I cluster possono subire una separazione di fase e formare goccioline liquide dense, che a loro volta si fondono in aggregazioni più grandi, in modo simile a come si uniscono le bolle di sapone.
"L'ambiente rigido e meno mobile nasce dal nucleo delle nanogocce liquide e dense. La rete di molecole d'acqua mobili, d'altra parte, rimane dalla coalescenza imperfetta delle superfici delle goccioline durante la disidratazione verso l'ACC solido", spiega Gebauer.
Questi risultati rappresentano un passo significativo verso un modello strutturale per l’ACC. Allo stesso tempo, forniscono prove concrete del fatto che la mineralizzazione inizia con i cluster pre-nucleazione. "Questo non solo ci avvicina alla comprensione del segreto della biomineralizzazione, ma può anche avere applicazioni nello sviluppo di materiali cementizi che legano l'anidride carbonica e, poiché ora sappiamo che l'ACC è un conduttore, nei dispositivi elettrochimici", conclude Mathies.
Ulteriori informazioni: Maxim B. Gindele et al, Le vie colloidali della formazione del carbonato di calcio amorfo portano a ambienti acquatici e conduttività distinti, Nature Communications (2024). DOI:10.1038/s41467-023-44381-x
Informazioni sul giornale: Comunicazioni sulla natura
Fornito dall'Università di Costanza
