Da Madre Natura ai nostri dispositivi indispensabili, siamo circondati da cristalli. Quelli per gentile concessione del primo, come ghiaccio e neve, possono formarsi spontaneamente e simmetricamente. Ma i cristalli a base di silicio o nitruro di gallio che si trovano nei LED e in altri dispositivi elettronici richiedono un po' di persuasione per raggiungere le loro forme e gli allineamenti ideali.

All'UC Santa Barbara, i ricercatori hanno ora sbloccato un altro pezzo del puzzle teorico che governa la crescita dei cristalli, uno sviluppo che può far risparmiare tempo ed energia nei numerosi processi che richiedono la formazione dei cristalli.

"Il modo in cui la maggior parte dei processi industriali sono progettati oggi è fare un numero esaustivo di esperimenti per scoprire come crescono i cristalli e con quale velocità crescono in condizioni diverse, ", ha dichiarato l'ingegnere chimico dell'UCSB Michael Doherty, un autore di un articolo che appare nel Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze . fiocchi di neve, ad esempio, si formano diversamente mentre cadono, a seconda delle condizioni variabili come temperatura e umidità, da qui la convinzione diffusa che non ce ne siano due uguali. Dopo aver determinato le condizioni ottimali per la crescita del cristallo di scelta, Le attrezzature aggiuntive Doherty devono essere progettate e calibrate per fornire un ambiente di crescita coerente.

Però, unendo decenni di esperienza, Doherty, insieme al collega dell'UCSB Baron Peters e all'ex studente laureato Mark Joswiak (ora alla Dow Chemical) hanno sviluppato un metodo computazionale per aiutare a prevedere i tassi di crescita dei cristalli ionici in circostanze diverse. Usando un cristallo relativamente semplice:cloruro di sodio (NaCl, più comunemente noto come sale da tavola) - in acqua, i ricercatori hanno posto le basi per l'analisi di cristalli più complessi.

I cristalli ionici possono sembrare ad occhio nudo, e anche sotto un certo ingrandimento, costituiti da facce perfettamente lisce e uniformi. Ma guarda più da vicino e scoprirai spesso che contengono effettivamente caratteristiche superficiali che influenzano la loro capacità di crescere, e le forme più grandi che assumono.

"Ci sono dislocazioni e intorno alle dislocazioni ci sono spirali, e intorno alle spirali ci sono spigoli, e intorno ai bordi ci sono pieghe, "Pietro ha detto, "e ogni livello richiede una teoria per descrivere il numero di quelle caratteristiche e la velocità con cui cambiano". Alla scala più piccola, gli ioni in soluzione non possono attaccarsi facilmente al cristallo in crescita perché le molecole d'acqua che solvatano (interagiscono con) gli ioni non vengono facilmente spostate, Egli ha detto. Con così tanti processi che avvengono su così tante scale, è facile vedere quanto possa essere difficile prevedere la crescita di un cristallo.

"La sfida più grande è stata applicare le varie tecniche e metodi a un nuovo problema:esaminare l'attacco e il distacco degli ioni nei siti di piegatura superficiale, dove c'è una mancanza di simmetria accoppiata con forti interazioni ione-acqua, " Joswiak ha detto. "Tuttavia, mentre incontravamo problemi e trovavamo soluzioni, abbiamo acquisito ulteriori informazioni sui processi, il ruolo delle molecole d'acqua e le differenze tra ioni sodio e cloruro."

Tra le loro intuizioni:la dimensione degli ioni è importante. I ricercatori hanno scoperto che a causa delle sue dimensioni, lo ione cloruro più grande (Cl-) impedisce all'acqua di accedere ai siti di piegatura durante il distacco, limitando la velocità complessiva di dissoluzione del cloruro di sodio in acqua.

"Devi trovare uno speciale sistema di coordinate che possa rivelare quegli speciali riarrangiamenti del solvente che creano un'apertura per lo ione per scivolare attraverso la gabbia del solvente e bloccarsi sul sito di piegatura, " ha detto Peters. "Abbiamo dimostrato che almeno per il cloruro di sodio possiamo finalmente dare una risposta concreta".

Questo sviluppo proof-of-concept è il risultato dell'esperienza del Gruppo Doherty con i processi di cristallizzazione unita all'esperienza del Gruppo Peters in "eventi rari", fenomeni relativamente rari e di breve durata ma altamente significativi (come le reazioni) che cambiano radicalmente lo stato del sistema. Utilizzando un metodo chiamato campionamento del percorso di transizione, i ricercatori sono stati in grado di comprendere gli eventi che hanno portato allo stato di transizione. La strategia e le intuizioni meccanicistiche del lavoro sul cloruro di sodio forniscono un modello per prevedere i tassi di crescita nella sintesi dei materiali, prodotti farmaceutici e biomineralizzazione.