Natures way from molecule to crystal - 3D imaging with coherent X-rays (ICONIC)

Biomineralisering er en naturlig prosess som brukes av alle organismer for å produsere mineraliserte vev optimalisert for å utføre spesifikke funksjoner. Disse materialene er svært komplekse og har hierarkisk struktur, for eksempel har bein flere nivå av hierarki, dannet av et nettverk av kollagenmolekyler og hydroksyapatittkrystaller. Nukleasjon av slike biomineraler og påfølgende kornvekst til den endelige krystallinske formen er de mest grunnleggende prosessene forbundet med biomineralisering. Til tross for viktigheten og mange grundige studier, er forståelsen av denne dynamiske prosessen begrenset, noe som i stor grad skyldes det faktum at observasjon av kimdannelse er vanskelig. ICONIC-prosjektet har som mål å få en grunnleggende forståelse av biomineralisering ved å avbilde og studere den dynamiske prosessen fra tidlig kimdannelse til de endelige mineralfasene. Prosjektmålet vil bli oppnådd ved å utvikle tidsoppløste røntgenavbildningsteknikker i kombinasjon med biomimetiske krystalliseringsprotokoller for å regulere kimdannelse og -vekst. ICONIC er et tverrfaglig forskningsprosjekt som samler et internasjonalt og komplementært forskerteam innen røntgenfysikk, materialvitenskap, krystallkjemi, beregning og dataanalyse. I løpet av det siste året har det blitt utført omfattende eksperimenter både i røntgenlab på NTNU og på store europeiske anlegg e.g. ESRF som bruker kalsiumkarbonat som modellsystem. Foreløpige resultater indikerer det fine samspillet mellom krystalliseringsbetingelser f.eks. temperatur og konsentrasjon, og 3D -morfologien til kalsiumkarbonatpartikler. Krystallvekst er et tema av stor betydning for mange industrisektorer som farmasi, mat og elektronikk. Kunnskapen generert fra ICONIC forventes å ha særlig stor innflytelse innen farmasøytisk, biomedisinsk og miljømessig forskning.

Biomineralisation is a key natural process that all organisms employ to produces a wide range of materials with highly complex and hierarchical structures. To achieve fundamental understanding of the processes leading to biomineralisation, it is necessary to first focus on the earliest nucleation stages and subsequent growth from various possible precursor phases to the final mineral phases. Despite its high importance and many thorough studies, the understanding of this dynamic process is vague, which can to a large extent be attributed to the fact that observation of crystal nucleation remains difficult. ICONIC aims to use recent breakthroughs in state-of-the-art 3D Coherent X-ray Diffraction Imaging (CXDI) to directly image and understand the biomineralisation pathway from molecule to crystal. The development of dynamic CXDI proposed in ICONIC is implemented in combination with time-resolved Small- and Wide-Angle X-ray Scattering and tested by studying model biominerals - calcium carbonate, calcium phosphate and calcium oxalate monohydrate. Key objectives of ICONIC involve the implementation of biomimetic crystallization protocols to regulate nucleation and growth using microfluidic sample environments and development of liquid phase CXDI to monitor dynamic processes. The proposed technique of dynamic CXDI is a hot research topic at synchrotron beamlines across the world and it is emerging as one of the flagship experimental methods. The ICONIC project is thus very timely and assembles an international team of world leading experts from complementary fields of X-ray physics, imaging and materials science to execute its "high risk high gain" research objectives. With the ICONIC project, it is expected that Norwegian scientific community will play pioneering role in this emerging research field.