Quando i materiali raggiungono dimensioni estremamente ridotte, cominciano a succedere cose strane. Uno di questi fenomeni è la formazione di mesocristalli.

Nonostante sia composto da singoli cristalli separati, mesocristalli si uniscono per formare un più grande, struttura fusa che si comporta come un puro, cristallo singolo. Però, questi processi avvengono su scale troppo piccole per essere viste dall'occhio umano e la loro creazione è estremamente difficile da osservare.

A causa di queste sfide, gli scienziati non erano stati in grado di confermare esattamente come si formano i mesocristalli.

Ora una nuova ricerca condotta da un team guidato dal Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) ha utilizzato tecniche avanzate di microscopia elettronica a trasmissione (TEM) per vedere la formazione di mesocristalli in soluzione in tempo reale. Ciò che hanno visto è contrario alla saggezza convenzionale e le loro intuizioni potrebbero un giorno aiutare gli scienziati a progettare materiali per lo stoccaggio di energia e capire come si formano i minerali nel suolo.

Piuttosto che singoli cristalli nucleanti, il passo che inizia la formazione dei cristalli, e poi aggregandosi casualmente in mesocristalli in due passaggi non correlati, i ricercatori hanno osservato che nucleazione e attaccamento erano strettamente accoppiati nella formazione di queste strutture altamente uniformi. I ricercatori hanno riportato il loro lavoro nel 18 febbraio, numero 2021 di Natura .

"I nostri risultati identificano un nuovo importante percorso di cristallizzazione per attaccamento delle particelle e risolvono le domande chiave sulla formazione dei mesocristalli, " ha affermato Guomin Zhu, scienziato dei materiali dell'Università di Washington e del PNNL. Faceva parte del gruppo di ricerca guidato da Jim De Yoreo, Scienziato dei materiali PNNL e co-direttore del Northwest Institute for Materials Physics, Chimica, e Tecnologia. "Sospettiamo che questo sia un fenomeno diffuso con implicazioni significative sia per la sintesi dei nanomateriali progettati che per la comprensione della mineralizzazione naturale, " Ha aggiunto Zhu.

Vedere la cristallizzazione in tempo reale

Il progetto ha richiesto anni per essere eseguito e ha richiesto una significativa risoluzione dei problemi. Per gli esperimenti di microscopia, il team scientifico ha scelto un sistema modello che includeva ematite, un composto di ferro che si trova comunemente nella crosta terrestre, e ossalato, un composto naturalmente abbondante nel suolo.

Hanno visualizzato il processo utilizzando TEM in situ, che offre ai ricercatori la possibilità di vedere la cristallizzazione su scala nanometrica mentre accade. Hanno combinato questo metodo in tempo reale con il TEM "congela e guarda" che ha permesso loro di seguire un singolo cristallo in punti diversi durante la crescita. I calcoli teorici hanno aiutato a completare il quadro, consentendo al team PNNL di ricostruire come sono cresciuti i mesocristalli.

I ricercatori generalmente eseguono la maggior parte degli esperimenti TEM in situ a temperatura ambiente per semplificare la configurazione sperimentale e ridurre al minimo il rischio di danneggiare lo strumento sensibile, ma la formazione di mesocristalli abbastanza rapida da poter essere osservata avviene a circa 80 °C.

"L'attrezzatura aggiuntiva utilizzata per riscaldare i campioni ha reso gli esperimenti estremamente impegnativi, ma sapevamo che i dati sarebbero stati la chiave per capire come si stavano formando i mesocristalli, " disse Zhu.

Una volta riscaldato, i nuovi nanocristalli di ematite rendono facile per loro attaccarsi rapidamente insieme, che conduce, in media, a mesocristalli finali approssimativamente della stessa dimensione e forma.

Mesocristalli in natura

La chiave chimica di questo rapido, l'attaccamento affidabile sono le molecole di ossalato presenti nella soluzione. Dopo la formazione dei primi piccoli cristalli, gli additivi di ossalato aiutano a creare un gradiente chimico all'interfaccia tra il liquido e il cristallo in crescita. Più componenti chimici necessari per la nucleazione delle particelle indugiano vicino ai cristalli, che aumenta notevolmente la probabilità che si formino nuove particelle vicino a quelle esistenti.

Mentre questo percorso di crescita dei cristalli è stato osservato in condizioni controllate su scale molto piccole, probabilmente si verifica anche nei sistemi naturali, secondo i ricercatori. Alcuni giacimenti minerari, compreso un deposito di ematite australiano, contengono mesocristalli. Data l'abbondanza naturale di ossalato e l'osservazione del team PNNL che l'ematite può diventare mesocristalli a temperature fino a 40 °C, sembra plausibile che questo percorso di formazione avvenga in natura.

Poiché i mesocristalli si trovano in tutta la natura, i risultati possono essere applicati per comprendere il ciclo dei nutrienti nell'ambiente, tra le altre applicazioni. Inoltre, il percorso verso la creazione di strutture complesse quasi uniformi richiede la comprensione di come funzionano i metodi per formare tali materiali e come controllarli. Così questo lavoro, sostenuto dal Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti, Ufficio di Scienze, Ufficio di Scienze Energetiche di Base, Divisione di Scienze Chimiche, geoscienze, e Bioscienze, apre nuove possibilità per creare intenzionalmente mesocristalli o materiali simili al mesocristallo.