Due nuove tecniche, video in tempo reale a risoluzione atomica e confinamento conico di nanotubi di carbonio, consentono ai ricercatori di visualizzare dettagli mai visti prima sulla formazione dei cristalli. Le osservazioni confermano le previsioni teoriche su come si formano i cristalli di sale e potrebbero informare teorie generali sul modo in cui la formazione dei cristalli produce diverse strutture ordinate da una miscela chimica altrimenti disordinata.

I cristalli includono molte cose familiari, come fiocchi di neve, grani di sale e persino diamanti. Sono disposizioni regolari e ripetute di molecole costituenti che crescono da un mare caotico di quelle molecole. Il processo di crescita da questo stato disordinato a uno ordinato è noto come nucleazione, e sebbene sia stato studiato per secoli, gli esatti avvenimenti a livello atomico non sono mai stati confermati sperimentalmente, fino ad ora.

Non è sufficiente essere in grado di vedere le molecole a livello atomico:questa capacità è con noi da alcuni decenni ormai. Il problema della crescita di un cristallo è che è un processo dinamico e le osservazioni del suo sviluppo sono importanti quanto le osservazioni della sua struttura. Per fortuna, i ricercatori del Dipartimento di Chimica dell'Università di Tokyo hanno risolto questo problema con la loro tecnica di microscopia elettronica in tempo reale a risoluzione atomica a singola molecola, o SMART-EM. Questo cattura i dettagli dei processi chimici a 25 immagini al secondo.

"Uno degli studenti del nostro master, Masaya Sakakibara, ha utilizzato SMART-EM per studiare il comportamento del cloruro di sodio (NaCl)—sale, ", ha affermato l'assistente al progetto, il professor Takayuki Nakamuro. "Per mantenere i campioni in posizione, usiamo nanocorni di carbonio dello spessore di un atomo, una delle nostre precedenti invenzioni. Con gli splendidi video catturati da Sakakibara, abbiamo subito notato l'opportunità di studiare gli aspetti strutturali e statistici della nucleazione dei cristalli con dettagli senza precedenti."

Nakamuro e il suo team hanno guardato i video che Sakakibara aveva catturato e sono stati i primi a vedere minuscoli cristalli cuboidi fatti di decine di molecole di NaCl che emergevano dalla miscela caotica di ioni sodio e cloruro separati. Subito, hanno notato un modello statistico nella frequenza con cui sono emersi i cristalli; ha seguito quella che è nota come distribuzione normale, che è stato a lungo teorizzato ma solo ora verificato sperimentalmente.

"Il sale è solo la nostra prima sostanza modello per sondare i fondamenti degli eventi di nucleazione, " ha detto il professore universitario Eiichi Nakamura. "Il sale cristallizza solo in un modo. Ma altre molecole, come il carbonio, può cristallizzare in più modi, portando a grafite o diamante. Questo si chiama polimorfismo e nessuno ha visto le prime fasi della nucleazione che lo porta. Spero che il nostro studio fornisca il primo passo per comprendere il meccanismo del polimorfismo".

Tuttavia, la squadra non ha solo in mente i diamanti; il polimorfismo nella crescita dei cristalli è un processo essenziale anche nella produzione di alcuni componenti farmaceutici ed elettronici.