Sự kỳ diệu của Canxi cacbonat: Từ vỏ sò đến ngọc trai

Hầu hết mọi người đều không cho rằng lớp vỏ xù xì của hàu là thứ gì đó đặc biệt đẹp, nhưng khi mở rộng lớp vỏ gồ ghề này, chúng ta có thể thấy một viên ngọc quý tinh xảo nằm gọn bên trong. Tuy nhiên, bất chấp màu sắc lấp lánh và hình dạng trơn nhẵn, ngọc trai thực sự được tạo thành từ cùng một vật liệu với lớp vỏ bao bọc chúng.

Ngọc trai, gai nhím biển, vỏ của trai, ốc sên và sò, thậm chí cả san hô - tất cả những cấu trúc này đều được tạo ra từ cùng một hợp chất hóa học: canxi cacbonat. Vậy làm thế nào mà một thành phần duy nhất này lại có thể tạo thành một loạt các vật liệu phong phú như vậy? Canxi cacbonat, hay CaCO3, là một chất phổ biến trên đất liền và thậm chí còn dồi dào hơn ở biển. Vỏ trái đất có rất nhiều canxi, và qua hàng thiên niên kỷ, những trầm tích này đã ngấm vào sông và đại dương. Điều này đặc biệt đúng gần các lỗ phun thủy nhiệt, nơi nước biển nóng hòa trộn với bazan giàu canxi.

Trong khi đó, khi carbon dioxide trong không khí tương tác với nước biển, cuối cùng nó tạo ra cacbonat hòa tan. Hàng năm, đại dương hấp thụ khoảng một phần ba lượng khí thải carbon dioxide của chúng ta, bổ sung một lượng lớn cacbonat vào nước. Không có gì ngạc nhiên khi các sinh vật biển đã tận dụng những hợp chất dồi dào này, nhưng cách canxi và cacbonat được dệt thành các hình dạng khác nhau lại là một nghệ thuật đáng ngạc nhiên. Hãy quay trở lại với con hàu khiêm tốn. Giống như nhiều loài thân mềm sống dưới nước khác, hàu bắt đầu cuộc sống dưới dạng ấu trùng trần trụi và nhanh chóng bắt tay vào việc xây dựng một lớp vỏ bảo vệ. Đầu tiên, một cơ quan được gọi là lớp phủ tiết ra một ma trận hữu cơ gồm protein và các phân tử khác để xây dựng một giàn giáo. Sau đó, hàu lọc nước biển, lấy ra canxi và cacbonat để kết hợp chúng thành vật liệu xây dựng của nó. Nó phủ lớp vật liệu này lên giàn giáo, được phủ bằng các protein tích điện thu hút và hướng dẫn các phân tử canxi cacbonat thành từng lớp. Sự sắp xếp cụ thể của các giàn giáo protein này phụ thuộc vào loài thân mềm và môi trường sống của chúng, giải thích cho sự đa dạng phong phú về hình dạng, kích thước và màu sắc vỏ của chúng. Thân mềm cẩn thận kiểm soát tất cả các thành phần của các sáng tạo canxi cacbonat của chúng - thậm chí còn thao tác CaCO3 ở cấp độ phân tử. Sử dụng các protein đặc biệt, thân mềm có thể tạo ra hai cấu trúc tinh thể từ CaCO3: canxit và aragonit. Cả hai hợp chất này đều có thành phần hóa học giống nhau, nhưng có những đặc tính khác nhau do cách sắp xếp mạng tinh thể của chúng. Canxit là loại ổn định hơn trong hai loại và ít bị hòa tan theo thời gian hơn, vì vậy hầu hết vỏ thân mềm đều có một lớp canxit bên ngoài chắc chắn. Là phân tử dễ hòa tan hơn một chút, aragonit có thể thích nghi tốt hơn với môi trường ít hoặc nhiều axit hơn. Vì vậy, hầu hết vỏ thân mềm đều có một lớp bên trong bằng aragonit để duy trì độ pH bên trong của chúng. Nhưng một dạng của aragonit lại mạnh và linh hoạt hơn những dạng còn lại: xà cừ. Thân mềm tạo ra vật liệu đặc biệt này bằng cách đặt các lớp aragonit tiếp theo xen kẽ với protein. Các lớp này được xếp chồng lên nhau như gạch hình lục giác, mỗi viên được bao quanh bởi các vật liệu hữu cơ khác hướng dẫn hướng của chúng.

Lớp xếp chồng đồng nhất và cấu trúc giống như gạch của xà cừ đóng vai trò then chốt cho màu sắc lấp lánh đặc trưng của nó. Các lớp có độ dày tương tự như bước sóng của ánh sáng khả kiến, vì vậy ánh sáng phản chiếu từ bề mặt bên trong của nó sẽ giao thoa với ánh sáng phản chiếu từ bề mặt bên ngoài. Khi các hạt ánh sáng chiếu vào xà cừ, chúng nảy xung quanh cấu trúc tinh thể nhiều lớp của nó trong một loạt cầu vồng thay đổi. Nhưng xà cừ không chỉ đẹp - nó còn là một trong những vật liệu sinh học mạnh nhất và nhẹ nhất mà chúng ta biết. (Theo Ted Talk, Rob Ulrich)