Mentre i cristalli sono stati studiati per secoli e sono onnipresenti nella vita quotidiana, sono nelle nostre ossa, il cibo che mangiamo e le batterie che usiamo:gli scienziati non comprendono ancora appieno come crescono i cristalli o come produrli in modo efficiente. Di conseguenza, sforzi scientifici per migliorare una vasta gamma di materiali cristallini, dai biomateriali autorigeneranti ai pannelli solari, sono stati limitati.

I ricercatori dell'Università dell'Illinois a Chicago hanno svelato parte di questo mistero. Utilizzando simulazioni al computer per analizzare come gli atomi e le molecole si muovono in una soluzione, il team dell'UIC ha identificato un meccanismo generale che governa la crescita dei cristalli che gli scienziati possono manipolare durante lo sviluppo di nuovi materiali.

Nello specifico, hanno scoperto che quando le molecole che formano cristalli sono circondate da un solvente, Come l'acqua, le molecole di solvente formano uno scudo che chiamano guscio di solvatazione. Quando questo scudo fluttua, le molecole possono liberarsi per formare cristalli. Hanno anche mostrato che la temperatura, il tipo di solvente e il numero di molecole di solvente influiscono tutti sulla fluttuazione del guscio.

I loro risultati sono riportati nella rivista Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze .

"Per la prima volta, abbiamo mostrato cosa succede quando una molecola lascia un solvente per formare un cristallo, " disse Meenesh Singh, autore senior e assistente professore di ingegneria chimica presso l'UIC College of Engineering. "Nelle giuste condizioni, lo scudo "danza" intorno e consente alle molecole di liberarsi e integrarsi nella superficie del cristallo. Le fluttuazioni nel guscio di solvatazione sono eventi molecolari chiave che spiegano come si formano i cristalli:la conoscenza di questo meccanismo è mancata sin dall'inizio della ricerca sulla cristallizzazione".

Singh ha affermato che la comprensione di questo meccanismo fornirà agli scienziati una maggiore capacità di dirigere le molecole per formare cristalli per una struttura specifica, forma e dimensione. "Questo ci consentirà di realizzare materiali migliori per un'ampia classe di prodotti utilizzati nella vita quotidiana, " Egli ha detto.

Qualche esempio, Egli ha detto, sono impianti ossei per promuovere la biomineralizzazione, migliori sistemi di somministrazione dei farmaci, batterie al litio più stabili, e semiconduttori migliorati e prodotti chimici agricoli.

"Le conoscenze molecolari ottenute da questo studio aiuteranno anche a risparmiare denaro in varie industrie chimiche riducendo la necessità di tecniche incostanti in migliaia di prove, " ha detto lo studente laureato UIC Anish Dighe, coautore del paper. "Con l'aiuto di questo studio, ora possiamo progettare sistemi in grado di cristallizzare la molecola di soluto desiderata senza così tante prove".