2016 Fiscal Year Annual Research Report
Impurity effect on the polymorph selection during the early stages of calcium carbonate formation
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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, 理学研究院, 准教授 (40378550)
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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 |
本研究の目的は、最も主要な生体鉱物であるアラゴナイトについて、その形成初期過程における不純物、特にMgイオンの影響を決定することである。近年、水溶液からの鉱物の形成過程において、従来の理論とは異なるnon-classical な形成パスが注目を集めており、本研究はその文脈の中で、形成初期過程における不純物の及ぼす影響を明らかにすることを目指すものである。
これまで、近年開発された量子化学に基づく化学反応経路自動探索法により、アラゴナイト形成初期に形成されるクラスターの安定構造に及ぼすMgイオンの影響を考察してきた。その結果、Mgを含むCaCO3クラスターは、アラゴナイト構造に近い構造を取ることが示され、Mgは炭酸カルシウムの形成初期段階から、積極的にアラゴナイトの形成に関与していることが示された。今年度はさらにH2O分子の影響を考察するため、炭酸カルシウムの水和物であるモノハイドロカルサイトにMgが含まれる場合、その近傍の構造がどのように変化するかを第一原理計算により考察した。その結果、通常Caが入るモノハイドロカルサイトの陽イオンサイトは８配位であるが、Mgが入ると、その近傍のCO3が移動・回転することにより、６配位の構造に変化することが明らかになった。これは、研究代表者によって明らかにされている、Mgがアラゴナイト表面に取り込まれる際の局所構造の変化と類似した結果である。Mgは水溶液中では6配位の強固な水和殻中に存在しており、その１部をCO3で置換した６配位のクラスターとして結晶に取り込まれている可能性も考えられる。さらに、Mgを主成分とする炭酸塩の合成実験を行ったところ、非晶質相が初期生成物として形成した後、水和物が出現した。ただし、その形成プロセスは条件によって複雑に変化することが明らかになり、ここからもMgと水の相互作用が重要な役割を果たしていることが示唆される。
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