La cristallizzazione è l'assemblaggio di atomi o molecole in cristalli solidi altamente ordinati, che avviene in natura, biologico, e sistemi artificiali. Però, cristallizzazione in spazi ristretti, come la formazione del guscio proteico di un virus, è poco compreso. I ricercatori stanno cercando di controllare la struttura del cristallo finale formato in uno spazio ristretto per ottenere cristalli con le proprietà desiderate, che richiede una conoscenza approfondita del processo di cristallizzazione.

Un gruppo di ricerca presso l'Istituto di Scienze Industriali, l'Università di Tokyo e l'Università Fudan, guidato da Hajime Tanaka e Peng Tan, usato una gocciolina di un colloide, una dispersione di particelle liquide in un altro liquido, come il latte, come modello per singoli atomi o molecole in una sfera. A differenza dei singoli atomi o molecole, che sono troppo piccoli per essere facilmente osservati, le particelle colloidali erano abbastanza grandi da poter essere visualizzate al microscopio. Ciò ha permesso ai ricercatori di tracciare l'ordinamento delle singole particelle in tempo reale durante la cristallizzazione.

"Abbiamo visualizzato il processo di organizzazione delle particelle colloidali in numerose goccioline in condizioni diverse per fornire un'immagine del processo di cristallizzazione in una sfera, "dice Tan.

Sulla base delle loro osservazioni, il team ha proposto che il processo di cristallizzazione coinvolgesse tre fasi:ordinamento iniziale sulla "pelle" superficiale della gocciolina, nucleazione e crescita nel nucleo della gocciolina, e poi lenta maturazione di tutta la struttura. Primo, una pelle costituita da un singolo strato di particelle colloidali ordinate formate rapidamente sulla superficie delle goccioline. Prossimo, cristallizzazione avvenuta nel nucleo della gocciolina, lontano dalla pelle cristallizzata. La competizione tra la cristallizzazione in queste due regioni controllava la struttura del cristallo finale.

I ricercatori hanno scoperto che le interazioni "morbide" (a lungo raggio) tra le particelle colloidali caricate negativamente hanno influenzato la loro organizzazione e la struttura cristallina risultante. Queste interazioni morbide sono dominate dalla cinetica, questo è, le interazioni che formano il più veloce, piuttosto che quelli che utilizzano la minor energia per dare la struttura termodinamicamente stabile, illustrando che la cinetica gioca un ruolo importante nella cristallizzazione in uno spazio confinato. Era già noto che la termodinamica contribuisce fortemente alla struttura finale dei cristalli. I risultati del team hanno confermato che anche la cinetica è integrale, approfondire la nostra conoscenza della cristallizzazione in spazi confinati.

"Questa ricerca approfondisce la nostra comprensione del processo di cristallizzazione in sistemi geometricamente vincolati, conducendo i ricercatori un passo avanti verso il raggiungimento di una crescita controllata di cristalli su scala molto piccola, " spiega Tanaka.

La conoscenza dettagliata del processo di formazione dei cristalli in sistemi confinati può consentire cristalli con strutture progettate, come le nanoparticelle per applicazioni elettroniche specifiche, da ottenere, dando ai ricercatori una maggiore capacità di controllare la struttura e quindi le proprietà dei materiali di valore.

L'articolo "Cinetica di selezione morfologica della cristallizzazione in una sfera" è pubblicato su Fisica della natura .