软体动物与珊瑚中生物矿化的相场模拟:微观结构 vs. 形成机制
材料科学
2020-12-02 v1
摘要
尽管生物结晶过程已在微观尺度上被广泛研究,但针对此类现象介观尺度方面的模型却很少。本工作中,我们探究材料科学中用于描述介观尺度复杂多晶结构的相场理论,是否可被有意义地改造以模拟生物系统中的结晶。我们通过模拟软体动物壳与珊瑚骨骼中观察到的一系列微观结构,包括颗粒状、棱柱状、片状/柱状珍珠层以及洒落状球粒结构,展示了相场技术的能力。我们还比较了两种可能的钙化微观机制:经由流体态离子逐一添加的古典路径,以及非古典路径——沉积在固化前沿的无定形前驱体结晶。我们表明,在适当选择模型参数的情况下,两条路径均可获得与生物矿化系统相似的微观结构,尽管非古典路径的时间尺度似乎更为现实。模拟与天然生物矿物的相似性表明,在生物体内观察到的巨大生物学复杂性之下,生物结构的基本设计原理或许可以用简单的数学来理解,并用相场理论模拟。
引用
@article{arxiv.2012.00666,
title = {Phase-field modeling of biomineralization in mollusks and corals: Microstructure vs. formation mechanism},
author = {László Gránásy and László Rátkai and Gyula I. Tóth and Pupa U. P. A. Gilbert and Igor Zlotnikov and Tamás Pusztai},
journal= {arXiv preprint arXiv:2012.00666},
year = {2020}
}