La coltivazione dei cristalli è diventata un po' più semplice grazie al lavoro di un team internazionale della Virginia Tech, Università di Harvard, e AMOLF, gestito dalla Foundation for Fundamental Research on Matter Institute AMOLF) nei Paesi Bassi.

La squadra comprendeva Ling Li, assistente professore di ingegneria meccanica presso il College of Engineering.

Il lavoro del gruppo è apparso di recente sulla rivista Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze ( PNAS ) con Li come primo autore. La ricerca sulla nucleazione controllata e sulla crescita dei cristalli fornirà spunti per la comprensione, imitando, e infine ampliando le strategie di mineralizzazione della natura per lo sviluppo di strutture microscopiche funzionali.

La crescita dei cristalli è stata una parte importante del tentativo di imitare la formazione minerale biologica come strutture biomineralizzate in natura, come conchiglie e ossa, che sono molto più durevoli e avanzati di quelli creati sinteticamente oggi. Utilizzando uno dei due parametri di controllo, super-saturazione o disadattamento del reticolo del nucleo, i ricercatori potrebbero controllare la nucleazione e la crescita dei cristalli a base di carbonato.

"La nostra ricerca ha combinato con successo sia la super-saturazione locale che il disadattamento del reticolo per promuovere in modo più efficace la nucleazione dei cristalli, " ha detto Li. "Dimostrando il controllo su entrambi i parametri possiamo dirigere il posizionamento e la direzione di crescita dei composti cristallini su substrati specifici".

Il disadattamento del reticolo substrato/nucleo si riferisce alla differenza di allineamento dei cristalli tra il cristallo in crescita su un particolare substrato, mentre la sovrasaturazione locale indica che la concentrazione del materiale disciolto attorno a una struttura cristallina in crescita immersa nel solvente è maggiore del suo limite di solubilità.

"La motivazione di questo lavoro è capire come si formano le strutture mineralizzate biologiche, come le conchiglie, " disse Li. "Una conchiglia è fatta principalmente di gesso, che ovviamente è fragile e debole, ma la natura organizza la struttura in modo tale da renderla molto forte."

Il gruppo di ricerca collaborativa sta lavorando per spiegare le basi strutturali chiave delle proprietà meccaniche e comprendere i loro percorsi di formazione per lo sviluppo di materiali strutturali bioispirati in futuro.

La parte del progetto di Li si concentra sulle strutture interfacciali tra il substrato sottostante e i cristalli ricoperti e su come le strutture possono crescere in modo diverso in condizioni diverse.

Utilizzando un esempio di tre diverse strutture cristalline di carbonato di calcio (i biominerali più abbondanti presenti in natura) come substrati, il team ha determinato che modificando la posizione della reazione di cristallizzazione che avviene in un solvente, potrebbero influenzare sia la super-saturazione che il disadattamento del reticolo substrato/nucleo e in questo modo, nucleare e dirigere la crescita dei cristalli in una posizione e direzione specifica.

"Cercando di capire come sono organizzate queste strutture, possiamo tentare di imitare la natura con materiali sintetici e migliorare le proprietà meccaniche, " disse Li.

Uno dei prossimi passi della ricerca vedrà Li alla guida dello stesso gruppo mentre osserva come i cristalli si formano sotto un raggio di raggi X che registrerà l'intero processo di crescita.

"Vogliamo vedere come crescono i cristalli con una risoluzione nanometrica, fornire maggiori informazioni in termini di comprensione di come i parametri di crescita controllano la morfologia dei cristalli, e forse maggiori informazioni su come funzionano i sistemi biologici per controllare la morfologia, che è estremamente importante in termini di proprietà."