在显微镜下观察方解石时，科学家会立即通过其菱面体外观识别出碳酸钙的晶体形式。也就是说，方解石的形状像一个扭曲的立方体。方解石是地球上最丰富的矿物之一，是石灰石和大理石的主要成分。它也是三种常见的天然碳酸钙晶体形式中最稳定的一种;另外两种形式是霰石和球霰石。

研究方解石很重要，因为它在很多方面都具有广泛的意义。碳酸钙合成时会将二氧化碳(CO2)转化为固体碳酸盐，而固体碳酸盐是应对气候变化所需的长期碳储存的最终反应产物。此外，研究人员最近发现，方解石中的缺陷可以通过其合成方式来控制，并可以改变其许多特性。例如，缺陷会影响方解石吸收环境中有害物质(如重金属)的能力。它们还会影响方解石的机械强度(这对开发更耐用的材料有影响)以及改进工业过程中使用的催化剂的能力。

美国能源部阿贡国家实验室的地球化学家李尚洙(SangSooLee)表示，方解石表面“透明而有光泽”，类似于挂在窗户上的水晶。科学家们认为，方解石内部由有序、重复的原子图案组成。

最近，助理科学家安娜·苏珊娜(AnaSuzana)与李和阿贡国家实验室的其他研究人员合作，发现方解石的合成或化学转化方式可以显著改变单个矿物颗粒的内部结构。反过来，这会影响方解石的反应性。

有关这项研究的论文“通过3D相干X射线衍射成像可视化由于非经典结晶而产生的方解石内部纳米晶体”发表在《先进材料》上。

到目前为止，合成方法对晶体内部结构的影响很少受到关注。为了更好地了解机械影响，Suzana使用扫描电子显微镜(SEM)、粉末X射线衍射和一种称为布拉格相干衍射成像(BCDI)的技术比较了通过两种合成方法生长的方解石颗粒的外部形状和内部结构。

为了进行BCDI实验，该实验提供了方解石内部晶体的高分辨率视图，研究人员使用了阿贡先进光子源(APS)光束线34-ID-C的设施，该设施是美国能源部科学办公室的用户设施。

参与这项研究的APS物理学家WonsukCha表示：“利用APS发射的明亮、连贯、硬X射线(这对BCDI至关重要)，我们能够对单个微小矿物颗粒内的局部特征进行成像，而不是捕捉整个颗粒的平均值。”

对于一种合成方法，方解石晶体生长缓慢。这些晶体的SEM图像显示菱面体或扭曲的立方体形状，与科学家预期看到的一致。然后，使用BCDI创建方解石颗粒内部晶体结构的3D地图。这些图像还显示了科学家预期看到的有序、重复的图案。

使用另一种合成方法，晶体生长得非常快。SEM图像再次显示了扭曲的立方体状方解石晶体。然而，当使用BCDI时，它揭示了更复杂的内部结构。每个形状完美的方解石晶体都由无数超小(纳米级)晶体碎片或缺陷组成。

“纳米”一词的意思是某物的十亿分之一，而“纳米”是科学家用来描述原子或分子等极小粒子大小的长度单位。一纳米大约比人类头发的宽度小10万倍。

方解石内部结构中的这些纳米级缺陷可能反映了球霰石中常见的粒状亚结构。苏珊娜表示，球霰石是一种不太稳定的碳酸钙，在采用本实验的快速方法合成矿物后，球霰石慢慢转变为稳定的方解石。

这项研究的结果揭示了理解这些内部缺陷如何影响方解石反应性的新方法。这一发现很重要，因为它展示了一种区分完美粒子和由纳米级内部碎片组成的粒子的方法。

当方解石碎裂时，其功能可能与“完美”晶体形态大不相同。这也会影响其化学反应。例如，方解石中的缺陷会改变碳酸盐物质的生长和溶解方式，从而影响其吸收重金属等有毒化学物质的能力。

“大多数人没有工具来区分它是否是完美的方解石。因此，这个结果非常清楚地表明，仅仅因为它看起来像方解石，并不意味着它就是完美的方解石，”参与这项研究的阿贡杰出研究员保罗·芬特说。

“最终，我们希望观察如何利用这些缺陷来控制方解石的反应方式，”芬特补充道。

识别矿物晶体结构中的此类碎片的能力可能有助于设计具有优化强度和韧性的材料。

这一发现可能也适用于其他领域，例如催化。苏珊娜解释说，颗粒内部存在碎片可能会通过增加反应表面积来增强材料的催化活性。

结果还揭示了BCDI等成像技术如何让研究人员以一种以前无法做到的方式直接检查方解石的特征以确定结构-属性关系。

除了Cha、Fenter、Lee和Suzana之外，作者还包括IreneCalvo-Almazán和RossHarder。

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