Schelpdieren gebruiken een soort ‘ionenspons’ om de kristallisatie van calciumcarbonaat op hun schelpen in goede banen te leiden. Eindhovense en Amerikaanse onderzoekers hebben dat voor het eerst daadwerkelijk zien gebeuren, melden ze in Nature Materials.

Dat de zogeheten biomineralisatie zo werkt was een kwart eeuw geleden al voorspeld door Israëlische onderzoekers, maar het bleef tot nu toe theorie.

Het verhaal komt er op neer dat de ionenspons een zuur reagerend biopolymeer is. Dat vormt complexen met calciumionen uit het water en voorkomt zo dat die samen met de aanwezige carbonaationen op willekeurige plaatsen neerslaan.

Als volgende stap zuigen deze complexen steeds meer carbonaationen op totdat ze sterk oververzadigd raken en er een neerslag in ontstaat van amorf CaCO₃. Dat zogeheten ACC is metastabiel en zal uiteindelijk ook uitkristalliseren, maar het biopolymeer staat dat proces nog een tijdlang in de weg.

Met vloeistoffase-transmissie-elektronenmicroscopie (LP-TEM) heeft de Eindhovense promovendus Paul Smeets het nu letterlijk kunnen filmen, onder begeleiding van Nico Sommerdijk (TU/e) en Jim De Yoreo (Pacific Northwest National Lab, VS). In de Molecular Foundry van Berkeley Lab (ook VS) gebruikten zeer een speciaal ontworpen meetcel voor, met siliciumnitridevensters.

Het echte biopolymeer vervingen ze door een synthetisch polymeer, polystyreensulfonaat (PPS), dat ook zuur reageert. Als ze een oplossing van calciumchloride en PSS door de meetcel lieten stromen, zagen ze Ca-PSS-complexen ontstaan op de vensters. Stelden ze die vervolgens bloot aan dampvormig ammoniumcarbonaat, dan zagen ze heel snel CaCO₃-deeltjes ontstaan.

Volgens De Yoreo is het toch wel een verrassing. Velen namen aan dat dat biopolymeer alleen maar diende als energetisch gunstige ondergrond voor de uiteindelijke kristallisatie. Het opzuigen van ionen is een fundamenteel ander mechanisme om een kristallisatieproces te sturen, en waarschijnlijk eentje dat beter werkt.

Sommerdijk vermoedt dan ook dat zo’n ionenspons nuttig kan zijn bij industriële kristallisatieprocessen. “Om kristallisatie op gang te brengen zorgt men simpel gezegd dat de oplosbaarheid slechter wordt”, legt hij uit. “Als ik bijvoorbeeld een warme suikeroplossing afkoel zal de suiker kristalliseren. Maar je weet nooit waar deze kristallen gaan groeien. Met zo’n spons kun je niet alleen controleren wáár ze gaan groeien maar ook hóe ze gaan groeien zodat je uiteindelijk niet alleen hun locatie maar ook bijvoorbeeld hun vorm veel beter kunt controleren.”

Hoe zo’n schelp de uiteindelijke kristallisatie van het ACC nu precies aanstuurt, blijft nog even de vraag. Wat dat betreft is PSS toch wat te simpel om het échte biopolymeer na te bootsen.

bron: Nature Materials, TU/e, PNNL