2014 Fiscal Year Research-status Report
炭酸カルシウム形成初期におけるアラゴナイト前駆物質の探求：不純物効果の新解釈
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26870010
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| Research Institution | Hokkaido University |
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Principal Investigator |
川野 潤 北海道大学, 創成研究機構, 特任助教 (40378550)
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| Project Period (FY) |
2014-04-01 – 2017-03-31
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| Keywords | 炭酸カルシウム / アラゴナイト / 前駆物質 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究課題の目的は、最も主要な生体鉱物であるアラゴナイトの形成初期において、不純物、特にMgイオンが果たす役割を決定することである。炭酸カルシウムはさまざまな多形をもつが、その中でもアラゴナイトは生体硬組織を形成する最も一般的な生体鉱物である。アラゴナイトは高圧相であるため、生物が生息する環境において、どのようにしてこの相が形成されるのかは数多くの研究者の注目を集めてきたが、その物理的メカニズムは明らかになっていない。従来、Mgイオンが母液中に存在するとアラゴナイトが生成しやすいことが現象論的に知られてきたが、その形成初期においてMgがどのような役割を果たしているかは、これまでのところ理解されていなかった。
本研究課題においては本年度、炭酸カルシウム形成最初期に出現するクラスター(CaCO3)nに関して、量子化学に基づく反応経路自動探索プログラムGRRMにより、その構造の推定を試みた。Mgがこのようなクラスターの構造にどのような影響を与えているのかを考察するため、不純物を含まない系と、Mgを含むクラスターの最安定構造および局所安定構造を探索し、それらの比較を行った。その結果、不純物を含まない系においては、わずか４個のCaCO3を含むクラスターが、安定相であるカルサイトに類似の構造を持つことが示された。さらにMgを含む系ではその構造が大きく異なり、よりアラゴナイトに近い構造を持つことが明らかになった。これにより、Mgはカルサイトの成長を阻害したり、溶解度を変化させるのみならず、炭酸カルシウム形成初期段階において、積極的にアラゴナイトの形成に影響を与えていることが示唆された。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
本年度においては、CaおよびCO3イオンのみを含む(CaCO3)nクラスターの構造を、量子化学に基づく反応経路自動探索プログラムGRRMにより決定した。その結果、わずかな数のCaCO3でも、結晶構造に類似の構造が安定であることが示されたことは想像以上の成果であり、炭酸カルシウム多形の形成メカニズムを考える上で大変意義のあることである。今後、HCO3やH2Oを含む系に計算を拡張させることで、それらの効果を明らかにすることができ、さらなる進展が期待できる。
本年度はさらに、本研究の中心課題である、炭酸カルシウムの形成初期過程に関する最先端の研究を行っている研究者を海外から招いて国際シンポジウムを開催することができた。これにより、この分野に関する国際ネットワークが構築できたことは、本研究課題を推進する上で、大きく役立つものである。
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| Strategy for Future Research Activity |
本年度においては、上記のとおりCaおよびCO3イオンのみを含む(CaCO3)nクラスターの構造決定を行った。今後は、計画どおりHCO3およびH2Oを含む系に計算を拡張し、クラスターから結晶多形に至る形成パスの探索を試みたい。使用している反応経路自動探索プログラムGRRMは、前回のアップデートで化学反応を含む経路探索が強化されており、今後はそれに加えて、より多くの原子分子を含む系の計算が可能になると見込まれている。それを踏まえ、まず次年度は、含まれる原子は少ないが、HCO3を含む系における反応経路マップを作成する。その後、原子数の多い系でH2Oを含むクラスターの構造を決定する計画である。
さらに次年度からは、合成実験もスタートさせる。Mgを含む系において炭酸カルシウムの合成実験を行い、反応溶液ならびに分離した固相の赤外吸収スペクトルを測定する。その上で、反応経路探索で導出したクラスターの理論的な振動数と比較することにより、反応初期における現象を明らかにすることが今後の研究の目的である。
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| Causes of Carryover |
わずかに次年度使用額が生じているが、20000円弱であり、ほぼ予定通りである。
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
わずかな額であるので、消耗品費として使用する計画である。
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