Resultaten av ett storskaligt innovativt Citizen Science-experiment kallat Project M, som involverade mer än 1 000 vetenskapsmän, 800 prover och 110 brittiska gymnasieskolor i ett enormt experiment, publicerades i tidskriften CrystEngComm .
Uppsatsen har titeln "Project M:Investigating the effect of additives on calciumcarbonate crystallization through a school citizen science program." Tidningen delar en gigantisk uppsättning resultat från skolans medborgarforskare som samarbetade med ett team på Diamond för att ta reda på hur olika tillsatser påverkar de olika formerna av kalciumkarbonat som produceras.
Dessa tillsatser påverkar typen av kalciumkarbonat som bildas, och därmed dess egenskaper och potentiella tillämpningar. Att enkelt kunna producera olika former av kalciumkarbonat kan vara mycket viktigt för tillverkningen.
Huvudförfattarna Claire Murray, Visiting Scientist vid Diamond och Julia Parker, Diamond Principal Beamline Scientist och expert på kalciumkarbonatvetenskap som konceptualiserade projektet, analyserade data och skrev och redigerade manuskriptet förklarar att trots naturens förmåga att exakt kontrollera kalciumkarbonatbildningen i snäckor och skelett, laboratorier runt om i världen kan ofta inte exakt samma nivå av kontroll över hur kalciumkarbonat bildas.
"Naturen använder molekyler som aminosyror och proteiner för att styra bildningen av kalciumkarbonat, så vi var intresserade av att upptäcka hur några av dessa molekyler påverkar kalciumkarbonatet som vi tillverkar i labbet", sa forskarna.
Projekt M engagerade eleverna och lärarna som vetenskapsmän och gjorde olika prover av kalciumkarbonat under olika förhållanden med olika tillsatser. Totalt analyserades 800 av dessa prover sedan på bara 24 timmar i april 2017 med röntgenpulverdiffraktionstekniken på strållinjen I11 vid Diamond Light Source, Storbritanniens nationella synkrotron. Detta skapade en gigantisk uppsättning resultat som ligger till grund för publikationen. En systematisk studie av denna skala har aldrig slutförts någon annanstans i världen.
Målet med detta projekt var att ta reda på hur användning av olika tillsatser som aminosyror påverkar strukturen av kalciumkarbonat. Mineralet har tre huvudformer som kallas "polymorfer" - vaterit, kalcit och aragonit - som kan identifieras med röntgenpulverdiffraktion vid Diamonds strållinje l11.
Diamond Light Source producerar en av de ljusaste röntgenstrålarna på planeten jorden, vilket gör det möjligt för forskare att förstå den atomära strukturen hos material. Forskare kommer från hela Storbritannien och längre bort för att använda dessa röntgenstrålar – såväl som infrarött och ultraviolett ljus – för att göra bättre droger, förstå den naturliga världen och skapa futuristiska material.
Att förstå effekterna av olika tillsatser på produktionen av polymorfer är av stort intresse inom industrin som inom tillverkning, medicinska tillämpningar som vävnadsteknik och design av läkemedelsleveranssystem och till och med kosmetika.
Men att kartlägga ett så stort parameterutrymme, i termer av tillsats och koncentration, kräver syntes av ett stort antal prover och tillhandahållande av analystekniker med hög genomströmning. Det gav en spännande möjlighet att samarbeta med 110 gymnasieskolor som gör riktiga prover för att visa upp strållinjens högkapacitetsförmåga, inklusive snabb robotbyte av prover, vilket innebär att diffraktionsmönster kan samlas in och prover ändras på mindre än 90 sekunder.
"Projektet leddes av en vetenskaplig fråga vi hade", förklarade Murray. "Idén att involvera skolelever och lärare i utarbetandet av proverna följde naturligt eftersom vi vet att kemiprojekt är underrepresenterade i det medborgarvetenskapliga rummet. Det bidrag som studentmedborgarforskare kan ge till forskning ska inte underskattas. Dessa projekt kan ge ett kraftfullt sätt för forskare att få tillgång till mängder av data som de annars kan kämpa för att samla in, samt inspirera framtida generationer av forskare."
Projektet utformades med kit och resurser för att stödja skolorna att lära sig nya tekniker och kunskaper och för att ge dem utrymme att interagera och engagera sig i experimentet. Efter analys på Diamond fick eleverna möjlighet att titta på sina resultat, se sina toppar och bestämma vilken sorts polymorfer de hade producerat, och jämföra sina resultat med resultaten från olika prover och olika skolor på olika platser i Storbritannien.
Gry E. Christensen, tidigare student och Project M Scientist vid Didcot Girls' School, Didcot kommenterade, "Det var en fantastisk resa och jag rekommenderar att om några andra skolor har en chans att hjälpa till med ett liknande projekt, hoppa ombord, eftersom det är en möjlighet för eleverna en gång i livet, och du känner att du kan göra en positiv förändring i världen."
"Det faktum att vi inte visste svaret ännu var en motiverande faktor för eleverna", förklarar Murray. "Lärarna sa till oss att de tog allt mer seriöst, eftersom det här var verklig vetenskap i aktion - det betydde verkligen något. De berättade hur eleverna var glada över att översätta sina labbkunskaper till detta experiment och att eleverna kunde kontextualisera sitt lärande från deras föreskrivna läroböcker och labbklasser.
"Lärarna lyfte också fram sitt eget intresse och nyfikenhet eftersom många av dem har utbildat sig till kemister i sin utbildning. De uppskattade själva kopplingen till verklig vetenskap och möjligheten till fortsatt professionell utveckling."
Matthew Wainwright, lärare och Project M Scientist vid Kettlethorpe High School, Wakefield, tillägger, "Projektet erbjöd våra elever en unik möjlighet att ta del av genuin vetenskaplig forskning och bör fungera som en plan för framtida projekt som syftar till att engagera unga människor i vetenskapen. bortom klassrummet."
Att utforska aminosyrornas roll för att styra kristalliseringen med Project M Scientists var en möjlighet och en ära för författarna. Parker förklarade, "I vårt arbete ser vi hur vi kan dra nya vetenskapliga slutsatser angående effekten av aminosyror på strukturen hos kalcit- och vateritkalciumkarbonatpolymorfer.
"Denna förmåga att utforska ett brett parameterutrymme i provförhållanden, samtidigt som det ger fortsatta pedagogiska och vetenskapliga engagemangfördelar för de inblandade studenterna och läraren, kan vi hoppas i framtiden tillämpas på andra materialsyntesundersökningar."
Projekt M gjorde det möjligt för skolor att genomföra verklig forskning och göra ett experiment som aldrig tidigare gjorts, i deras eget skollaboratorium. Det var det första "citizen science"-projektet som drivs av Diamond, som transporterade diamantvetenskap till skolor och möjliggjorde produktion av en betydande uppsättning resultat, vilket nu har resulterat i denna framgångsrika publikation i CrystEngComm .
Mer information: Claire A. Murray et al, Projekt M:undersöker effekten av tillsatser på kalciumkarbonatkristallisation genom ett skolmedborgarvetenskapsprogram, CrystEngComm (2024). DOI:10.1039/D3CE01173A
Tillhandahålls av Diamond Light Source
