Speaker: László GRÁNÁSY
Title: Gyöngyház-képződés fázismező modellezése puhatestűek esetén
Date: 14 March 2023, 10.00
Place: Building 1, Meeting room, or Zoom:
https://wigner-hu.zoom.us/j/81462821797?pwd=WTFSQ0tYb0M0bFBRUktsMHN0TWg…
Meeting ID: 814 6282 1797
Passcode: 168794
Abstract:
Gránásy László1,2, Rátkai László1, Pusztai Tamás1
1 Wigner Fizikai Kutatóközpont, Budapest
2 Brunel University, Uxbridge, U.K.
A biomineralizáció során (a biológiai kristályosodás egy fajtája) hierarchikusan szervezett szerves-szervetlen kompozitok jönnek létre, melyek gyakran meglepően jó mechanikai tulajdonságokat mutatnak. Ilyenek pl. egyes puhatestűek által létrehozott héjak, melyek valamely kalcium-karbonát polimorfból (általában aragonit) és kitin alapú szerves összetevőből épülnek fel. A meglepő tulajdonságaik titka, hogy az anyagtudományban megszokottnál sokkal összetettebb mikroszerkezettel rendelkeznek [1-3]. Képződésük mikéntje sok tekintetben alig ismert. Minthogy a fizika és kémia törvényei biológiai kristályosodás során is érvényben maradnak, felvetődik a gondolat, hogy a számítógépes anyagtudomány eszköztárát felhasználva visszafejtsük, miképpen lehet létrehozni olyan magasan szervezett struktúrákat, mint amelyek biomineralizáció során jönnek létre [4]. Alapvető probléma, hogy az élő szervezetet nem vagyunk képesek modellezni. Csak abban reménykedhetünk, hogy alkalmas határfeltételen keresztül nagyjából jól vesszük figyelembe a hatását. Mindenesetre a biológusok egy része úgy véli, hogy mikrobiológiai beavatkozás nélkül nem állíthatók elő a biomineralizáció során kialakuló bonyolult szerkezetek, míg más részük szerint csak közvetve, a kiválást biztosító folyadék összetételét manipulálva szabályozza a kristályosodás folyamatát az élőlény.
Mindezeket előrebocsátva kísérletet teszünk arra, hogy a puhatestűek héjának belső fényes, irizáló rétegének, a gyöngyháznak (1. ábra) természetben megfigyelt gazdag változatosságú növekedési morfológiáját az anyagtudományban sikeresent alkalmazott fázismező elmélet [5] segítségével reprodukáljuk, ami egyben receptet adhat arra is, hogy miképp lehet mesterséges úton hasonlóan szervezett anyagokat létrehozni.
1. ábra: Csigaház (Haliotis rufescens) belső oszlopos gyöngyházszerkezete az elektronmikroszkópban (balra) és a fázismező modellben (középen és jobbra).
Irodalom:
[1] V. Schoeppler, L. Gránásy, E. Reich, N. Poulsen, R. de Kloe, P. Cook, A. Rack, T Pusztai, I. Zlotnikov: Biomineralization as a Paradigm of Directional Solidification: A Physical Model for Mol-luscan Shell Ultrastructural Morphogenesis. Adv. Mater. 30, art. no. 1803855 (2018).
[2] V. Schoeppler, R. Lemanis, E. Reich, T. Pusztai, L. Gránásy, I. Zlotnikov: Crystal growth kinetics as an architectural constraint on the evolution of molluscan shells. PNAS (Proc. Nat. Acad. Sci. U.S.A.) 114, 20388-20397 (2019).
[3] C.-Y. Sun, L. Gránásy, C.A. Stifler, T. Zaquin, R.V. Chopdekar, N. Tamura, J.C. Weaver, J. Zhang, S. Goffredo, G. Falini, M.A. Marcus, T. Pusztai, V. Schoeppler, T. Mass, P.U.P.A. Gilbert: Crystal nucleation and growth of spherulites demonstrated by coral skeletons and phase-field simulations. Acta Biomater. 120, 277-292 (2021).
[4] L. Gránásy, L. Rátkai, G. I. Tóth, P.U.P.A. Gilbert, I. Zlotnikov, T. Pusztai: Phase-field modeling of biomineralization in mollusks and corals: Microstructure vs. formation mechanism. JACS Au 1, 1014-1033 (2021).
[5] L. Gránásy, L. Rátkai, A. Szállás, B. Korbuly, G.I. Tóth, L. Környei, T. Pusztai: Phase-field modeling of polycrystalline solidification: From needle crystals to spherulites – a review. Metall. Mater. Trans. A 45, 1694-1719 (2014).
