De nombreux organismes, y compris les mollusques, produisent des minéraux comme la nacre grâce à des processus complexes impliquant l’extraction d’ions calcium et carbonate, la voie de formation et le rôle du carbonate de calcium amorphe (ACC) étant des domaines de recherche clés. Une étude a identifié deux environnements chimiques au sein des particules ACC, offrant ainsi un aperçu de la biominéralisation et des applications potentielles en science des matériaux.
Comment les organismes vivants produisent-ils des minéraux, par exemple pour leurs coquilles ? Les chercheurs ont fait un pas de plus vers la réponse à ce mystère.
De nombreux organismes peuvent produire des minéraux ou des tissus minéralisés. Un exemple célèbre est la nacre, utilisée en joaillerie en raison de ses couleurs irisées. Chimiquement parlant, sa formation commence lorsqu’un mollusque extrait des ions calcium et carbonate de l’eau. Cependant, les processus et conditions exacts qui conduisent à la nacre, un composite de biopolymères et de plaquettes de carbonate de calcium cristallin, font l’objet d’intenses débats parmi les experts, et différentes théories existent.
Les chercheurs conviennent que les intermédiaires non cristallins, tels que le carbonate de calcium amorphe (ACC), jouent un rôle crucial dans la biominéralisation. Les homards et autres crustacés, par exemple, conservent une réserve d’ACC dans leur estomac, qu’ils utilisent pour construire une nouvelle coquille après la mue. Dans une étude récente publiée dans Communications naturellesdes chercheurs de l’Université de Constance et de l’Université Leibniz de Hanovre ont réussi à déchiffrer le parcours de formation de l’ACC.
Une combinaison de méthodes avancées
Les chercheurs dirigés par Denis Gebauer (Université Leibniz de Hanovre) et Guenièvre Mathies (Université de Constance) ont profité du fait que l’ACC peut être synthétisée non seulement par des organismes vivants, mais également en laboratoire. À l’aide de méthodes avancées telles que la spectroscopie de résonance magnétique nucléaire à rotation à angle magique (RMN MAS), ils ont analysé de minuscules particules d’ACC pour déterminer leur structure. « Nous avons eu du mal à interpréter les spectres de l’ACC. Ils ont suggéré des dynamiques que nous étions incapables de modéliser au début », explique Mathies.
Les collègues de l’Université Leibniz de Hanovre ont fourni un indice important. Maxim Gindele du groupe Gebauer a montré que l’ACC conduit l’électricité. Étant donné que les particules ACC sont très fragiles et ne mesurent que quelques dizaines de nanomètres (environ un millième de l’épaisseur d’un cheveu humain), cela n’a pas été aussi simple que d’insérer deux sondes. Au lieu de cela, les mesures ont été effectuées en utilisant la microscopie à force atomique de conductivité. (C-AFM), dans lequel les particules ACC sur une surface plane sont détectées par un minuscule cantilever balayant la surface et visualisées à l’aide d’un faisceau laser. Lorsque le cantilever est placé sur l’une des nanoparticules, un courant passe à travers sa pointe pour mesurer la conductivité.
Deux environnements différents
Informé par l’observation de la conductivité, Sanjay Vinod Kumar du groupe Mathies a réalisé d’autres expériences MAS RMN visant à sonder la dynamique. Ils ont indiqué deux environnements chimiques distincts dans les particules ACC. Dans le premier environnement, les molécules d’eau sont noyées dans du carbonate de calcium rigide et ne peuvent subir que des retournements à 180 degrés. Le deuxième environnement est constitué de molécules d’eau soumises à une lente culbutation et translation, avec des ions hydroxyde dissous. « Le défi restant était de concilier les deux environnements avec la conductivité observée. Les sels solides sont des isolants et le deuxième environnement mobile doit donc jouer un rôle », explique Mathies. Dans le nouveau modèle, les molécules d’eau mobiles forment un réseau à travers les nanoparticules ACC. Les ions hydroxyde dissous portent la charge.
Les chercheurs peuvent également expliquer la formation de deux environnements chimiques : dans l’eau, les ions calcium et carbonate ont tendance à se coller et à former des assemblages dynamiques appelés amas de pré-nucléation. Les amas peuvent subir une séparation de phase et former des gouttelettes liquides denses, qui à leur tour fusionnent en agrégats plus grands – de la même manière que les bulles de savon fusionnent. « L’environnement rigide et moins mobile naît du cœur des nanogouttelettes liquides et denses. Le réseau de molécules d’eau mobiles, en revanche, reste de la coalescence imparfaite des surfaces des gouttelettes lors de la déshydratation vers l’ACC solide », explique Gebauer.
Ces résultats constituent une étape importante vers un modèle structurel pour l’ACC. En même temps, ils fournissent des preuves solides que la minéralisation commence par des amas de pré-nucléation. « Cela nous rapproche non seulement de la compréhension du secret de la biominéralisation, mais peut également avoir des applications dans le développement de matériaux cimentaires qui lient le dioxyde de carbone et, puisque nous savons maintenant que l’ACC est un conducteur, dans des dispositifs électrochimiques », conclut Mathies.
