title: Biomimetic formation of CaCO3 particles showing single and hierarchical structures
Creators: name: Voinescu, Alina-Elena
Publisher: name: Universität Regensburg
Year: 2008
Subjects: subject: Mineralisation , Calciumcarbonat , hierarchische Struktur , Biomimetische Reaktion , , mineralization , calcium carbonate , hierarchical structure
subject: 540 Chemie

description: The aim of this thesis was to study three biomimetic systems that imply the mineralization of calcium carbonate, CaCO3, an important biogenic mineral used by nature as an inorganic component in exoskeletons and tissues of many mineralising organisms. These systems can serve as models for the complex and often hardly accessible natural archetypes with the possibility to reveal principles of the complex hierarchical structure formation. Thus, the first system describes a possible influence of egg white lysozyme, an important protein which is present in the shell of eggs, on the precipitation of amorphous calcium carbonate (ACC) in vivo and its transition to calcite during eggshell calcification. The mineralization of the calcitic eggshell is simulated by starting from lysozyme-CaCl2-CO(OCH3)2-NaOH solution. A transformation to the final crystalline biomineral, calcite, is observed. This work may be also of general interest to understand protein-mineral interaction in the building of amorphous materials and their ageing. The second system contains the formation of hemispherical aragonite-vaterite microstructures formed in silicate-casein sols. The formed particles have a complex morphology and a hierarchical structure. The initiation of this mineralization process is due to the presence of silicate ions that interact with serine-monophosphate groups and modify the casein structure in aqueous solution and, as a consequence, promote crystal formation. This is an interesting system with a significant complexity, which is also often found in biominerals. The third system deals with the formation and the growth of novel curvilinear morphologies in inorganic composites containing crystalline aragonite and amorphous silica. These biomimetic morphologies show remarkable hierarchical structures with structural similarity to natural corals. The significance of this work is that the realm of biomorphs is shown to extend beyond the previously studied barium and strontium carbonates, to now include calcium carbonate. However, the helicoidal morphologies - the most outstanding features of barium or strontium carbonate silica biomorphs - were never achieved in this work. In an attempt to solve this task, we tried to seek answers to the following question: why calcium ions behave so differently from their homologue barium, in alkaline silica sols?
description: Das Ziel dieser Arbeit war es, eine Studie an drei biomimetischen Systemen durchzuführen, denen die Mineralisation durch Calciumcarbonat, CaCO3, zugrunde liegt. Sein Vorkommen in Exoskeletten und anderen Gewebestrukturen vieler mineralienbildenden Organismen macht Calciumcarbonat zu einem wichtigen biogenen Material. Die hier verwendeten Modellsysteme können als Grundlage für die komplexen und oft schwer zugänglichen Vorbilder aus der Natur verwendet werden, um die Möglichkeit der Aufklärung komplexer hierarchischer Strukturbildung zu untersuchen. Das erste System beschreibt den möglichen Einfluss von Lysozym, einem wichtigen Protein in der Schale von Hühnereiern, auf die Ausfällung von amorphem Calciumcarbonat (ACC) in vivo sowie die Umwandlung zu Calcit während der Bildung der Schale. Die Mineralisierung der calcit-haltigen Hühnerschale wird mit einer Lösung aus Lysozym, Calciumchlorid, Dimethylcarbonat, und Natriumhydroxid simuliert. Eine Umwandlung zum kristallinen Biomineral Calcit wird beobachtet. Dieser Ansatz ist ebenfalls von großem Interesse für das Verständnis der Wechselwirkungen zwischen Proteinen und Mineralien während der Bildung und dem Alterungsprozess amorpher Materialien. Das zweite System beinhaltet die Bildung hemisphärischer Mikrostrukturen aus Aragonit und Vaterit, die in Lösungen aus Silikat und Casein gebildet werden. Die entstandenen Partikel besitzen eine komplexe Morphologie und eine hierarchische Struktur. Ausgelöst wird dieser Kristallisationsprozess durch die Anwesenheit von Silikationen, welche mit Serin-Monophosphatgruppen wechselwirken und die Form des Casein in wässriger Lösung beeinflussen was die Bildung von Kristallen fördert. Es handelt sich hierbei um ein interessantes System mit bemerkenswerter Komplexität, wie sie oft in Biomineralien auftritt. Das dritte System behandelt die Bildung und das Wachstum neuer, gekrümmter Morphologien von anorganischen Kompositmaterialien, die aus kristallinem Aragonit und amorphem Silikat bestehen. Diese biomimetischen Formen zeigen bemerkenswerte hierarchische Architekturen, die den Strukturen natürlicher Korallen ähneln. Die Bedeutung dieser Arbeit liegt darin, das Gebiet der Biomorphs über die bereits vorhandenen Untersuchungen an Barium- und Strontiumcarbonat hinaus auszudehnen und auch Calciumcarbonat mit einzuschließen. Allerdings konnten die helikalen Morphologien � eine der herausragendsten Merkmale von Barium- oder Strontiumcarbonat Silika Biomorphs - in dieser Arbeit nicht erreicht werden. Wir haben uns daraufhin mit der Frage befasst, warum sich Kalziumionen in alkalischen Silikalösungen so unterschiedlich verhalten, im Vergleich zum homologen Barium.