Un milione di anni fa, la specie più antica conosciuta che camminava eretta come un essere umano, l'Homo erectus, aveva un fascino simile a quello umano per i cristalli. Gli storici possono persino individuarne le possibili ragioni:all'epoca i cristalli non assomigliavano a nulla in giro:alberi, valli, montagne. I cristalli erano un materiale su cui riflettere, un affascinante diversivo per la mente.
Ancora oggi, la preoccupazione umana per la magia dei cristalli continua a riempire l'occhio della mente degli scienziati che hanno sviluppato modi per utilizzare i cristalli per qualsiasi cosa, dalle cure per la malaria alle celle solari e semiconduttori, catalizzatori ed elementi ottici. Nel corso degli anni i cristalli sono diventati componenti cruciali delle tecnologie che rendono possibile la civiltà moderna.
Il ricercatore dell'Università di Houston Peter Vekilov e Frank Worley, professore di ingegneria chimica e biomolecolare, hanno pubblicato su PNAS una risposta su come si formano i cristalli e su come le molecole ne diventano parte.
"Per decenni i ricercatori sulla crescita dei cristalli hanno sognato di chiarire la reazione chimica tra le molecole in arrivo e i siti unici su una superficie cristallina che le accettano, i nodi", ha detto Vekilov. "Il meccanismo di quella reazione, vale a dire la scala temporale e la scala della lunghezza caratteristiche, i possibili intermedi e la loro stabilità, è rimasto sfuggente e soggetto a speculazioni per oltre 60 anni."
L'ostacolo principale a una comprensione più approfondita è stata la mancanza di dati su come le molecole si uniscono, connessa al complicato processo di passaggio dalla soluzione al luogo in cui crescono.
Per svelare la reazione chimica tra una molecola che si dissolve in un liquido (soluto) e un nodo, Vekilov ha mobilitato due strategie di trasformazione, una utilizzando coppie organiche complete e la seconda, utilizzando quattro solventi con strutture e funzioni distinte. Lavorando con le molecole, ha combinato tecniche sperimentali all'avanguardia tra cui la microscopia a forza atomica in situ risolta nel tempo con una risoluzione quasi molecolare, la diffrazione di raggi X, la spettroscopia di assorbimento e la microscopia elettronica a scansione.
Fu allora che Vekilov fece una scoperta rivoluzionaria:l'incorporazione nei nodi può avvenire in due fasi divise da uno stato intermedio e la stabilità di questo stato intermedio è fondamentale per la crescita dei cristalli. Fondamentalmente decide quanto velocemente o lentamente si formano i cristalli perché influisce sulla facilità con cui le cose possono unirsi durante il processo
Sebbene le nuove scoperte non risalgano ai tempi dell'Homo sapien, risolvono un enigma vecchio di 40 anni per Vekilov.
"Le nozioni di stato intermedio e il suo ruolo decisivo nella crescita dei cristalli confutano e sostituiscono l'idea dominante nel campo, avanzata da A.A. Chernov, il mio relatore per il dottorato, secondo cui la barriera di attivazione per la crescita è determinata dal soluto-solvente interazioni nella soluzione in blocco", ha affermato.
Il nuovo paradigma dell'incorporazione in due fasi, mediata da uno stato intermedio, potrebbe aiutare a comprendere come piccole parti in un liquido possano influenzare le forme dettagliate dei cristalli presenti in natura.
"Altrettanto importante, questo paradigma guiderà la ricerca di solventi e additivi che stabilizzino lo stato intermedio per rallentare la crescita, ad esempio, di polimorfi indesiderati", ha affermato Vekilov.
Il team di Vekilov comprende Jeremy Palmer, Ernest J e Barbara M Henley, professori associati di ingegneria chimica e biomolecolare; ex studenti laureati Rajshree Chakrabarti e Lakshmanji Verma; e Viktor G. Hadjiev, Texas Center for Superconductivity presso UH.
Ulteriori informazioni: Rajshree Chakrabarti et al, Le reazioni elementari per l'incorporazione nei cristalli, Atti dell'Accademia nazionale delle scienze (2024). DOI:10.1073/pnas.2320201121
Fornito dall'Università di Houston
