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Wie es sein kann, dass Muscheln oder die Skelette von Korallen aus Aragonit statt aus Calcit bestehen

Die Skelette von Korallenriffen bestehen aus dem Kalkmineral Aragonit - eigentlich aber würde man unter den Bedingungen dort Calcit erwarten. Foto: Andy Blackledge  / Wikimedia Commons

Forscher der Uni Innsbruck und ein internationales Team konnten einen bisher unbekannten Mechanismus in der Bildung des Minerals identifizieren

Aragonit ist eine an der Erdoberfläche weit verbreitete kristalline Form von Calciumkarbonat (CaCO3). Es kommt sowohl im Ozean als auch in einigen Gebieten an Land sehr häufig vor: Schalen etwa von Muscheln oder Schnecken aber auch die Skelette von Korallen bestehen aus diesem Mineral. Das überrascht, denn laut Thermodynamik wäre unter den Bedingungen vor Ort eigentlich das Mineral Calcit die stabile Form.

Denn bereits geringe Änderungen im Druck oder Zusätze an gelösten Stoffen führen dazu, dass sich der metastabile Aragonit in den stabilen Calcit umwandelt.

Nun hat ein Team von ungarischen, italienischen und österreichischen Forschern in der Obstanser Eishöhle in Osttirol eine unerwartete Entdeckung gemacht: Laut der in Science Advances veröffentlichten Studie spielt bei der Bildung von Aragonit eine bisher unbekannte nanokristalline polymorphe Phase von Calciumcarbonat eine entscheidende Rolle.

„Metastabiler Aragonit bildet sich vorzugsweise aus wässrigen Lösungen mit einem hohen Verhältnis von Magnesium zu Calcium. In der Obstanser Eishöhle bildet sich bei solchen Bedingungen jedoch Aragonit – trotz Temperaturen, die bei nur knapp über Null liegen“, erklärt Prof. Dr. Christoph Spötl vom Institut für Geologie der Universität Innsbruck.

Aragonit-Vorkommen in der Obstanser Eishöhle in Tirol: Die Oberfläche der weißen Schicht an der Höhlenwand ist mit dem neu entdeckten mAra, der Vorstufe des Aragonits, bedeckt. Foto: Christoph Spötl

Die Wissenschaftler untersuchten die Mineralfällungen in den Ablagerungen der Höhle und sammelten winzige Mengen der neu gebildeten Kristalle im Nanobereich. Sie stellten dabei fest, dass einige dieser Kristalle erhebliche Mengen an Magnesium enthalten: „Magnesium ist ein Element, das eigentlich nicht in die Kristallstruktur von Aragonit passt“, verdeutlicht Spötl.

Mit modernsten 3D-Elektronenbeugungstechniken identifizierten die Wissenschaftler einen neuen Kristalltyp als monoklinen Aragonit (mAra). Dieser kann Magnesium-Atome und Hydroxylgruppen an jenen atomaren Positionen enthalten, an denen eigentlich Calcium und Carbonat sitzen sollten.

Auch weist er eine Schichtstruktur auf, die aus 6 Einheiten besteht. Obwohl gewöhnlicher Aragonit auch aus solchen Einheiten besteht, unterscheidet sich die Stapelreihenfolge der Einheiten in mAra von derjenigen des Aragonits.

Offenbar ist mAra der Vorläufer des metastabilen Aragonits. Dieser Vorläufer bildet sich, indem er Magnesium-Atome und Hydroxylgruppen in seine Kristallstruktur integriert.

Während des weiteren Kristallwachstums aber wird die mAra-Struktur instabil und gibt Magnesium und Hydroxylgruppen wieder an die Umgebungslösung ab, wodurch sie sich in die nah verwandte und stabilere Form des herkömmlichen Aragonits umwandelt.

Spötl und seine Kollegen gehen davon aus, dass das Vorkommen von mAra nicht auf diese alpine Höhle beschränkt ist: Es gab bereits ähnliche Beobachtungen an biogen entstandenem Aragonit in Stromatolithen und in Schalen von Weichtieren sowie in synthetischen Materialien. Aufgrund des Fehlens hoch entwickelter Elektronenmikroskopie-Methoden wurden diese Merkmale bislang jedoch nicht erkannt.

Science Advances

(27.01.2019)