All'interfaccia tra chimica e fisica, il processo di cristallizzazione è onnipresente in natura e nell'industria. È la base per la formazione dei fiocchi di neve ma anche di alcuni principi attivi utilizzati in farmacologia. Perché il fenomeno si verifichi per una data sostanza, deve prima passare attraverso una fase chiamata nucleazione, durante la quale le molecole si organizzano e creano le condizioni ottimali per la formazione dei cristalli. Sebbene sia stato difficile osservare le dinamiche pre-nucleazione, questo processo chiave è stato ora rivelato dal lavoro di un gruppo di ricerca dell'Università di Ginevra (UNIGE). Gli scienziati sono riusciti a visualizzare questo processo spettroscopicamente in tempo reale e su scala micrometrica, aprendo la strada alla progettazione di sostanze attive più sicure e stabili. Questi risultati possono essere trovati negli Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze (PNAS ).

La cristallizzazione è un processo chimico e fisico utilizzato in molti campi, dall'industria farmaceutica all'industria alimentare. Viene utilizzato per isolare una sostanza gassosa o liquida sotto forma di cristalli. Tuttavia, questo fenomeno non è esclusivo dell'industria; è onnipresente in natura e può essere visto, ad esempio, nei fiocchi di neve, nei coralli o nei calcoli renali.

Affinché i cristalli si formino dalle sostanze, devono prima passare attraverso una fase cruciale chiamata nucleazione. È durante questa prima fase che le molecole iniziano a disporsi per formare "nuclei", ammassi stabili di molecole, che portano allo sviluppo e alla crescita dei cristalli. Questo processo avviene stocasticamente, il che significa che non è prevedibile quando e dove si forma un nucleo. "Fino ad ora, gli scienziati hanno lottato per visualizzare questo primo stadio a livello molecolare. L'immagine microscopica della nucleazione dei cristalli è stata oggetto di un intenso dibattito. Studi recenti suggeriscono che le molecole sembrano formare un'organizzazione disordinata prima della formazione dei nuclei. Allora come si fa l'ordine cristallino emerge da loro? Questa è una grande domanda", spiega Takuji Adachi, assistente professore presso il Dipartimento di Chimica Fisica presso la Facoltà di Scienze dell'UNIGE.

Catturare un evento di nucleazione dei cristalli alla volta

Il team di Takuji Adachi, coadiuvato da due ricercatori del Dipartimento di Chimica della McGill University (Nathalie LeMessurier e Lena Simine), ha compiuto un passo decisivo riuscendo ad osservare il processo di nucleazione di un singolo cristallo alla scala micrometrica mediante spettroscopia ottica. "Siamo riusciti a dimostrare e visualizzare l'organizzazione e la formazione di aggregati molecolari che precedono la cristallizzazione", spiega Johanna Brazard, ricercatrice presso il Dipartimento di Chimica Fisica e co-prima autrice della ricerca.

Per osservare questo fenomeno, gli scienziati hanno combinato la microspettroscopia Raman, una tecnica basata sull'interazione della luce con la materia per ottenere informazioni sulla sua composizione, e l'intrappolamento ottico. "Abbiamo utilizzato i laser per evidenziare la struttura molecolare durante la nucleazione ma anche per indurre il fenomeno della nucleazione e quindi poterlo osservare e registrare la sua impronta spettrale", spiega Oscar Urquidi, dottorando presso il Dipartimento di Chimica Fisica e co-first autore di questa ricerca. La sostanza modello scelta per condurre questi esperimenti è stata la glicina, un amminoacido che è un elemento essenziale della vita, disciolto in acqua.

"Il nostro lavoro ha rivelato uno stadio di cristallizzazione che prima era invisibile", afferma Takuji Adachi. Visualizzare in modo più preciso e comprendere meglio ciò che sta accadendo a livello molecolare è molto utile per dirigere determinate manipolazioni in modo più efficace". In particolare, questa scoperta potrebbe rendere più facile ottenere strutture cristalline più pure e più stabili per alcune sostanze utilizzate nella progettazione di molti farmaci o materiali. + Esplora ulteriormente

Formazione di ghiaccio sulle superfici potenziata tramite un processo di nucleazione non classico