La cristallizzazione è un processo chimico molto elementare:i bambini in età scolare possono testimoniarlo con i propri occhi. Ma gli scienziati no, fino ad ora, stato in grado di osservare questo processo a livello molecolare - cioè, l'istante in cui le molecole superano la loro tendenza a galleggiare individualmente in una soluzione liquida e prendono posto nel reticolo rigido di una struttura cristallina solida. I ricercatori del Weizmann Institute of Science hanno, per la prima volta, osservato direttamente il processo di cristallizzazione a livello molecolare, convalidando alcune recenti teorie sulla cristallizzazione, oltre a mostrare che se si sa come inizia a crescere il cristallo, si può prevedere la struttura finale.

La ricerca si è svolta nel laboratorio del Prof. Ronny Neumann del Dipartimento di Chimica Organica dell'Istituto Weizmann. Neumann spiega che per legarsi gli uni agli altri, le molecole devono superare una barriera energetica:"La teoria prevalente era che i contatti casuali tra le molecole portano al legame, alla fine creando piccoli ammassi che diventano nuclei per la crescita di cristalli più grandi. Ma le molecole che si muovono casualmente in soluzione, devono essere allineati correttamente per cristallizzare. Negli ultimi anni i ricercatori hanno iniziato a pensare che questo processo potrebbe presentare una barriera energetica troppo alta".

Le teorie proposte negli ultimi decenni suggeriscono che se le molecole dovessero aggregarsi insieme in una cosiddetta fase densa, in cui si aggregano in uno stato simile alla sardina - ravvicinati ma disorganizzati - e poi si cristallizzano da questo stato, la barriera energetica sarebbe più bassa. Per testare le teorie, Neumann e il dottorando Roy Schreiber hanno creato grandi, molecole rigide e congelarle in posizione in soluzione. Hanno quindi posto la soluzione congelata sotto un raggio di un microscopio elettronico che ha riscaldato la miscela quanto basta per consentire un po' di movimento, e quindi interazioni tra le molecole. La regolazione della composizione della soluzione mediante l'aggiunta di ioni diversi ha consentito agli scienziati di produrre cristallizzazione con e senza fasi dense; per la prima volta, aiutato dai dott. Lothar Houben e Sharon Wolf dell'unità di microscopia elettronica, sono stati in grado di osservare fasi dense che si formano e successivamente si trasformano in nuclei cristallini.

Mentre entrambi gli stati hanno prodotto cristalli, i risultati sperimentali hanno mostrato che quando si formano fasi dense, la barriera energetica alla formazione di un ordinato, disposizione cristallina delle molecole è, come previsto dalla teoria, inferiore.

Gli scienziati hanno anche scoperto che la crescita derivante da fasi dense si traduce in più grandi, nuclei cristallini più stabili. Inoltre hanno scoperto che la disposizione delle molecole nei cristalli completamente cresciuti, che hanno determinato mediante cristallografia a raggi X con l'aiuto del Dr. Gregory Leitus di Chemical Research Support, era in buon accordo con quello nei piccoli ammassi di poche molecole nei nuclei originali. "Ciò significa che le forze e i fattori che determinano il processo sono costanti durante la crescita del cristallo, "dice Neumann.

"Abbiamo davvero osservato un evento elementare nel mondo della chimica, " dice Neumann. "I risultati ci stanno portando anche a nuove indagini in questo settore, guardando gli effetti e il significato delle fasi dense sulla reattività chimica".