Nature chemistry:几何挫折相互作用驱动无定形碳酸钙的结构复杂性

在简单的无机盐中，碳酸钙是比较特殊的，因为它从水溶液中析出时是一种可稳定的水合无定形形式。无定形碳酸钙是海洋生物生物矿化的重要前体，可通过加入掺杂剂（如 Mg2+ 或 PO43-）稳定数周，或通过改变 pH 值或温度引导其结晶成多种不同的多晶体。在各种生物矿化过程中，大自然利用这种复杂的相态来控制贝壳和其他骨骼结构的发育。但悬而未决的关键问题是无定形碳酸钙的结构了解以及合理解释其作为无定形相的可转移性。

近段时间，来自牛津大学化学系无机化学实验室的Tomas C. Nicholas教授及团队报告了利用最先进的原子间位势生成的高质量无定形碳酸钙原子模型，以帮助指导拟合 X 射线全散射数据。利用最近开发的一种反演方法，从这些模型中提取了支配结构的有效 Ca⋯Ca 相互作用势，旨在揭示在计算软物质背景下研究的伦纳德-琼斯-高斯模型的意外映射。

结果显示，ACC 的结构受 Ca2+ 离子之间有效相互作用的支配，这种相互作用也反映了这两种长度尺度。该团队通过使用最近开发的算法对产生的 Ca 对相关函数进行反演，揭示了有效的、碳酸盐/水介导的 Ca⋯Ca 相互作用势，这种作用力与 LJG 形式密切相关，其经验参数已知会阻碍结晶。由 LJG 模型驱动的蒙特卡罗（MC）模拟产生了 ACC 的粗粒度表示，捕捉到了全原子 HRMC 模型的关键方面。

ACC 中的协调环境和 Ca 对分布

总之，将 ACC 结构问题映射到多孔电位的相行为不仅建立了第一个与这些电位相关的实验系统，还表明了如何通过适当调整有效的相互作用来控制无机相的结构复杂性，而其复杂的结构及其对结晶的适应性实际上是由 Ca2+ 离子间几何失谐的有效相互作用所编码的。

参考文献：

Nicholas TC, Stones AE, et. Geometrically frustrated interactions drive structural complexity in amorphous calcium carbonate. Nat Chem. 2024 Jan;16(1):36-41. doi: 10.1038/s41557-023-01339-2. Epub 2023 Sep 25. PMID: 37749235; PMCID: PMC10774122.