Quando i ricercatori tedeschi hanno esaminato le immagini time-lapse di cristalli che si dissolvono su scala nanometrica, trovarono una sorpresa:la dissoluzione avvenne a impulsi, segnato da onde che si diffondono proprio come increspature su uno stagno.

"Quello che vediamo sono onde o anelli, " ha detto il capo investigatore Cornelius Fischer, che ha condotto questa ricerca presso l'Università di Brema nel gruppo del Prof. Andreas Lüttge. "Abbiamo una fossa nel mezzo, e poi intorno a queste fosse ci sono anelli di rimozione di massa." La ricerca è stata pubblicata nel Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze . Fischer e Lüttge sono specializzati nello studio delle interazioni tra minerali e fluidi, e hanno collaborato per più di 15 anni negli Stati Uniti e in Germania.

Nella vita di tutti i giorni, sciogliere i cristalli è semplice come mescolare lo zucchero in un bicchiere d'acqua. E come sa ogni bambino che ha fatto caramelle rock, il processo funziona anche al contrario:si formeranno cristalli di zucchero man mano che l'acqua evapora dal bicchiere. Lüttge ha affermato che gli scienziati sanno da tempo che i cristalli si formano attraverso un processo continuo mentre le molecole vengono depositate dalla soluzione nel normale reticolo cristallino del solido che stanno formando.

"Abbiamo sempre pensato che la dissoluzione fosse un processo continuo, una specie di formazione di cristalli al contrario, e siamo rimasti sbalorditi quando questi esperimenti hanno mostrato che questo non era un processo continuo, " disse Fischer. "Invece, quello che abbiamo visto erano impulsi che si verificavano intorno a queste fosse".

Gli impulsi vengono visualizzati chiaramente nelle mappe dei tassi, immagini fisse ad alta risoluzione che catturano la velocità con cui il materiale si dissolve nel tempo dalla superficie di un cristallo. Negli esperimenti al MARUM, Cornelius Fischer ha modificato una tecnica di imaging chiamata "interferometria a scansione verticale" che Lüttge ha aperto la strada alla Rice University (Houston, USA) nei primi anni 2000 per creare "mappe della velocità di reazione superficiale".

"Le mappe mostrano la distribuzione del flusso di materiale e quindi illustrano la reattività superficiale, " ha detto Fischer, un ex ricercatore post-dottorato MARUM che ora è a capo di un gruppo di ricerca presso il laboratorio di ricerca tedesco indipendente Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf. "Durante l'analisi di routine dei dati della mappa dei tassi, abbiamo scoperto l'esistenza di un notevole pattern di reattività superficiale. Questo è stato il punto di partenza per un'analisi sistematica delle caratteristiche della mappa della frequenza pulsante".

Utilizzando campioni di ossido di zinco prima e carbonato di calcio successivo, Fischer ha creato mappe che mostravano ogni abbassamento e aumento sulla superficie del cristallo con una risoluzione di 1 nanometro, o 1 miliardesimo di metro. Ogni scansione ha raccolto più di 4 milioni di misurazioni da una superficie che misura non più di un centimetro quadrato. Scattare istantanee successive della superficie di un cristallo mentre si dissolveva ha permesso loro di misurare la velocità con cui il cristallo si è dissolto in funzione dell'altezza della superficie.

Gli scienziati hanno capito da tempo l'importanza che i piccoli difetti superficiali giocano nella dissoluzione dei cristalli. Minuscole fossette chiamate "etch pit" espongono i bordi del cristallo e aumentano la probabilità che un solvente, Come l'acqua, reagirà chimicamente con gli atomi del cristallo. Il processo è simile a come la ruggine corrode il ferro o l'acciaio.

Quando hanno esaminato le loro mappe di velocità per la dissoluzione dei cristalli di calcite e ossido di zinco, Lüttge e Fischer hanno trovato "fluttuazioni ritmiche della densità del sito di superficie reattiva, " o impulsi di dissoluzione che si diffondono come anelli da fossette di incisione e dislocazioni di viti, proprio come le increspature che si diffondono dal punto in cui un sassolino viene lasciato cadere in uno stagno.

"La complessa sovrapposizione di impulsi definisce il risultato complessivo, e ora siamo in grado di capire e, più importante, quantificare:modelli come il punto di partenza per la formazione di porosità nei materiali solidi durante la dissoluzione, " ha detto Fischer. Lüttge ha detto che la scoperta aggiunge alla comprensione fondamentale degli scienziati della dissoluzione dei cristalli e potrebbe aiutare i ricercatori in campi diversi come la prevenzione della corrosione e la produzione farmaceutica.