journal article·2017

Calcium carbonate with nanogranular microstructure yields enhanced toughness

Josue A. Lopez-Berganza, Ruofan Song, Ahmed Elbanna, Rosa M. Espinosa-Marzal

Nanoscale· Volume 9· Issue 43
Publisher page

Abstract

The presence of nanogranular microstructures is a widely reported feature of biominerals that form by classical and non-classical mineralization pathways. Inspired by nature, we have synthesized amorphous calcium carbonate nanoparticles with nanogranular microstructures, whose grain size is tuned by varying the polymer concentration. The response to indentation of single calcium carbonate nanoparticles proceeds via an intermittent stick-slip that reflects the characteristics of the nanogranular microstructure. A two-fold mechanism is thus proposed to enhance the toughness of the nanoparticles, namely nanogranular rearrangement and intergranular bridging by an organic phase and/or hydration. This work not only provides a synthesis route to design biologically inspired mineral nanoparticles with nanogranular structure, but also helps in understanding toughening mechanisms of biominerals arising from their nanoscale heterogeneity.
Source: openalex_inverted_index · Quality: candidate unverified · Source record ↗

Research context

OpenAlex topics: Calcium Carbonate Crystallization and Inhibition · Bone Tissue Engineering Materials · Building materials and conservation

SciVX discovery tags are terminology-based. OpenAlex topics are source-provided classifications.

Affiliations

University of Illinois at Urbana-Champaign

IL

Urbana

USA

Funding

Division of Civil, Mechanical and Manufacturing Innovation

References (68)

Show source-provided references
1. K. Simkiss and K. M.Wilbur, Biomineralization: Cell Biology and Mineral Deposition, Academic Press, San Diego, CA, 1st edn, 1989
2. H. A. Lowenstam and S.Weiner, On Biomineralization, Oxford University Press, New York, NY, 1st edn, 198910.1093/oso/9780195049770.001.0001 ↗
3. Meldrum · Chem. Rev. · 2008 · 108 · 433210.1021/cr8002856 ↗
4. Nudelman · Angew. Chem., Int. Ed. · 2012 · 51 · 658210.1002/anie.201106715 ↗
5. Wolf · J. Struct. Biol. · 2016 · 196 · 24410.1016/j.jsb.2016.07.016 ↗
6. Rodríguez-Navarro · J. Struct. Biol. · 2016 · 196 · 26010.1016/j.jsb.2016.09.005 ↗
7. Gower · Chem. Rev. · 2008 · 108 · 455110.1021/cr800443h ↗
8. Rodriguez-Navarro · Cryst. Growth Des. · 2016 · 16 · 185010.1021/acs.cgd.5b01180 ↗
9. Gal · CrystEngComm · 2015 · 17 · 260610.1039/C4CE01474J ↗
10. Rodriguez-Navarro · CrystEngComm · 2015 · 17 · 5810.1039/C4CE01562B ↗
11. Cölfen · Angew. Chem., Int. Ed. · 2005 · 44 · 557610.1002/anie.200500496 ↗
12. Gal · Adv. Funct. Mater. · 2014 · 24 · 542010.1002/adfm.201400676 ↗
13. Gal · Science · 2016 · 353 · 59010.1126/science.aaf7889 ↗
14. Wolf · Faraday Discuss. · 2012 · 159 · 43310.1039/c2fd20045g ↗
15. Kim · Nat. Commun. · 2014 · 5 · 434110.1038/ncomms5341 ↗
16. Sundar · Nature · 2003 · 424 · 89910.1038/424899a ↗
17. Weaver · J. Struct. Biol. · 2003 · 144 · 27110.1016/j.jsb.2003.09.031 ↗
18. Weaver · J. Struct. Biol. · 2007 · 158 · 9310.1016/j.jsb.2006.10.027 ↗
19. Sethmann · J. Inorg. Biochem. · 2006 · 100 · 8810.1016/j.jinorgbio.2005.10.005 ↗
20. Fantner · Nat. Mater. · 2005 · 4 · 61210.1038/nmat1428 ↗
21. Habelitz · Arch. Oral Biol. · 2001 · 46 · 17310.1016/S0003-9969(00)00089-3 ↗
22. Tai · Nano Lett. · 2006 · 6 · 252010.1021/nl061877k ↗
23. Gower · J. Cryst. Growth · 2000 · 210 · 71910.1016/S0022-0248(99)00749-6 ↗
24. Harris · CrystEngComm · 2015 · 17 · 683110.1039/C5CE00441A ↗
25. Gebauer · Nanoscale · 2011 · 3 · 356310.1039/c1nr10681c ↗
26. Oaki · Adv. Mater. · 2008 · 20 · 363310.1002/adma.200800773 ↗
27. Saito · Mater. Horiz. · 2014 · 1 · 32110.1039/c3mh00134b ↗
28. Finnemore · Nat. Commun. · 2012 · 3 · 96610.1038/ncomms1970 ↗
29. Barthelat · Bioinspiration Biomimetics · 2010 · 5 · 03500110.1088/1748-3182/5/3/035001 ↗
30. Gao · Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. · 2003 · 100 · 559710.1073/pnas.0631609100 ↗
31. Huang · Sci. Rep. · 2013 · 3 · 169310.1038/srep01693 ↗
32. Barthelat · J. Mater. Res. · 2006 · 21 · 197710.1557/jmr.2006.0239 ↗
33. Mohanty · J. Mater. Res. · 2006 · 21 · 204510.1557/jmr.2006.0247 ↗
34. Li · Nano Lett. · 2004 · 4 · 61310.1021/nl049962k ↗
35. Li · Nano Lett. · 2006 · 6 · 230110.1021/nl061775u ↗
36. Gebauer · Adv. Mater. · 2009 · 21 · 43510.1002/adma.200801614 ↗
37. Lopez-Berganza · Cryst. Growth Des. · 2016 · 16 · 618610.1021/acs.cgd.6b00514 ↗
38. Derjaguin · J. Colloid Interface Sci. · 1975 · 53 · 31410.1016/0021-9797(75)90018-1 ↗
39. Vandamme · Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. · 2009 · 106 · 1055210.1073/pnas.0901033106 ↗
40. Huang · Langmuir · 2007 · 23 · 1208610.1021/la701972n ↗
41. Lee · Mater. Chem. Phys. · 2005 · 93 · 37610.1016/j.matchemphys.2005.03.037 ↗
42. Xu · J. Cryst. Growth · 2008 · 310 · 377910.1016/j.jcrysgro.2008.05.034 ↗
43. Magonov · Surf. Sci. · 1997 · 375 · L38510.1016/S0039-6028(96)01591-9 ↗
44. McLean · Macromolecules · 1997 · 30 · 831410.1021/ma970350e ↗
45. Chen · Chem. Commun. · 2013 · 49 · 956410.1039/c3cc45427d ↗
46. Sun · Chem. Commun. · 2016 · 52 · 703610.1039/C6CC03010F ↗
47. J. N. Israelachvili , in Intermolecular and Surface Forces, Academic Press, San Diego, 3rd edn, 2011, pp. 107–132, 10.1016/B978-0-12-375182-9.10006-510.1016/B978-0-12-375182-9.10006-5 ↗
48. Valtiner · Langmuir · 2012 · 28 · 1308010.1021/la3018216 ↗
49. Pérez-Huerta · J. R. Soc., Interface · 2007 · 4 · 3310.1098/rsif.2006.0150 ↗
50. Li · Nanoscale · 2014 · 6 · 217710.1039/C3NR05292C ↗
51. Phil · J. Phys.: Condens. Matter · 2007 · 19 · 473201
52. Malzbender · Surf. Coat. Technol. · 2000 · 135 · 6010.1016/S0257-8972(00)00906-3 ↗
53. Yu · Mech. Mater. · 2013 · 60 · 5510.1016/j.mechmat.2013.01.004 ↗
54. Lorenz · J. Phys.: Condens. Matter · 2013 · 25 · 225004
55. Lieou · Phys. Rev. E: Stat. Phys., Plasmas, Fluids, Relat. Interdiscip. Top. · 2015 · 92 · 02220910.1103/PhysRevE.92.022209 ↗
56. Bentov · Nat. Commun. · 2012 · 3 · 83910.1038/ncomms1839 ↗
57. Faatz · Langmuir · 2005 · 21 · 666610.1021/la050604m ↗
58. Lee · Mater. Des. · 2016 · 112 · 36710.1016/j.matdes.2016.09.099 ↗
59. Nikolov · Adv. Mater. · 2010 · 22 · 51910.1002/adma.200902019 ↗
60. Stark · Ultramicroscopy · 1998 · 75 · 16110.1016/S0304-3991(98)00061-8 ↗
61. Jones · Powder Technol. · 2003 · 132 · 19610.1016/S0032-5910(03)00072-X ↗
62. Hayman · Pure Appl. Geophys. · 2011 · 168 · 223910.1007/s00024-011-0269-3 ↗
63. Hovden · Nat. Commun. · 2015 · 6 · 1009710.1038/ncomms10097 ↗
64. Politi · Science · 2004 · 306 · 116110.1126/science.1102289 ↗
65. Shechter · Biol. Bull. · 2008 · 214 · 12210.2307/25066669 ↗
66. Shechter · Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. · 2008 · 105 · 712910.1073/pnas.0800193105 ↗
67. Shin · Nat. Commun. · 2016 · 7 · 1077210.1038/ncomms10772 ↗
68. Habraken · J. Struct. Biol. · 2015 · 189 · 2810.1016/j.jsb.2014.11.003 ↗