Il meccanismo della formazione dei cristalli

La crescita dei cristalli è in gran parte dettata dalla reazione chimica tra soluto e nodi, in cui una molecola di soluto recide i suoi legami con il solvente e stabilisce nuovi legami con il nodo

I cristalli sono elementi strutturali essenziali negli organismi viventi e nelle rocce e componenti cruciali delle tecnologie che rendono possibile la civiltà moderna. Un milione di anni fa, la specie più antica conosciuta che camminava eretta come un essere umano, l'Homo Erectus, aveva un fascino simile a quello umano per i cristalli. Gli storici possono anche individuarne le possibili ragioni: all'epoca i cristalli non assomigliavano a nulla in giro: alberi, valli, montagne. I cristalli erano un materiale su cui riflettere, un affascinante diversivo per la mente.

I tassi di crescita dei cristalli sono in gran parte dettati dalla reazione chimica tra soluto e nodi, in cui una molecola di soluto recide i suoi legami con il solvente e stabilisce nuovi legami con il nodo. I dettagli su questa sequenza di rottura e ricostruzione del legame rimangono poco compresi.

Ancora oggi, la preoccupazione umana per la magia dei cristalli continua a riempire l'occhio della mente degli scienziati che hanno sviluppato modi con lo scopo di utilizzare i cristalli per qualsiasi cosa, dalle cure per la malaria alle celle solari e semiconduttori, catalizzatori ed elementi ottici. Nel corso degli anni i cristalli sono diventati componenti cruciali delle tecnologie che rendono possibile la civiltà moderna.

Quindi, gli storici, creatori di una linea temporale del fascino e della ricerca dei cristalli che copre un milione di anni, segnano il gennaio 2024 come il momento in cui il ricercatore dell'University of Houston Peter Vekilov, professore di ingegneria chimica e biomolecolare, ha pubblicato su PNAS (1) una risposta a come sono i cristalli e come le molecole ne diventano parte.

«Per decenni i ricercatori sulla crescita dei cristalli hanno sognato di chiarire la reazione chimica tra le molecole in arrivo e i siti unici su una superficie cristallina che le accettano, i nodi», ha detto il dottor Peter Vekilov (2). Il meccanismo di quella reazione, vale a dire la scala temporale e la scala della lunghezza, i possibili intermedi e la loro stabilità, è rimasto sfuggente e soggetto a speculazione per oltre 60 anni.

L’ostacolo principale a una comprensione più approfondita è stata la mancanza di dati su come le molecole si uniscono, connessa al complicato processo di passaggio dalla soluzione al luogo in cui crescono.

Per svelare la reazione chimica tra una molecola che si dissolve in un liquido (soluto) e un nodo, il dottor Vekilov ha mobilitato due strategie di trasformazione, una utilizzando coppie organiche complete e la seconda utilizzando quattro solventi con strutture e funzioni distinte. Lavorando con le molecole, ha combinato tecniche sperimentali all'avanguardia tra cui la microscopia a forza atomica in situ risolta nel tempo con una risoluzione quasi molecolare, la diffrazione di raggi X, la spettroscopia di assorbimento e la microscopia elettronica a scansione.

Fu allora che Peter Vekilov fece una scoperta rivoluzionaria: l'incorporazione nei nodi può avvenire in due fasi divise da uno stato intermedio e la stabilità di questo stato intermedio è fondamentale per la crescita dei cristalli. Fondamentalmente decide quanto velocemente o lentamente si formano i cristalli perché influisce sulla facilità con cui le cose possono unirsi durante il processo.

Sebbene le nuove scoperte non risalgano ai tempi dell'Homo Sapiens, risolvono un enigma vecchio di 40 anni per Vekilov, che asserisce: «Le nozioni di stato intermedio e il suo ruolo decisivo nella crescita dei cristalli confutano e sostituiscono l’idea dominante nel campo, avanzata da AA Chernov, il mio relatore di dottorato, secondo cui la barriera di attivazione per la crescita è determinata dalle interazioni soluto-solvente nello soluzione sfusa».

Il nuovo paradigma dell’incorporazione in due fasi, mediata da uno stato intermedio, potrebbe aiutare a comprendere come piccole parti in un liquido possano influenzare le forme dettagliate dei cristalli che si trovano in natura.

«Altrettanto importante, questo paradigma guiderà la ricerca di solventi e additivi che stabilizzino lo stato intermedio per rallentare la crescita, ad esempio, di polimorfi indesiderati», conclude Vekilov.

Il team di Vekilov comprende Jeremy Palmer, Ernest J e Barbara M Henley, professori associati di ingegneria chimica e biomolecolare; ex studenti laureati Rajshree Chakrabarti e Lakshmanji Verma; e Viktor G. Hadjiev, Texas Center for Superconductivity presso UH.

Riferimenti:

(1) The elementary reactions for incorporation into crystals

(2) Peter Vekilov

Descrizione foto: Peter Vekilov, professore di ingegneria chimica e biomolecolare dell'Università di Houston Frank Worley, ha pubblicato che l'incorporazione delle molecole nei cristalli avviene in due fasi, divise da uno stato intermedio. - Credit: University of Houston.

Autore traduzione riassuntiva e adattamento linguistico: Edoardo Capuano / Articolo originale: UH Researcher Solving an Age-Old Mystery about Crystal Formation>