È stata fatta luce su come le molecole lasciano una soluzione per diventare parte di un cristallo in crescita. Poiché le proprietà dei cristalli dipendono dalla loro dimensione e forma, e queste sono influenzate dalla loro velocità di crescita, la ricerca apre la porta alla modifica della formazione dei cristalli per migliorarne l’usabilità.
I cristalli sono molto più comuni e cruciali delle semplici pietre preziose che sono la prima associazione che la maggior parte delle persone fa con questa parola. Possono formarsi da proteine essenziali presenti nei nostri corpi, alimentare le nostre vite sotto forma di celle solari e fornire i semiconduttori che ti permettono di leggere questo articolo. Tuttavia, aspetti cruciali del processo di formazione dei cristalli sono rimasti misteriosi. Uno nuovo studio rivela come le molecole si attaccano ai siti sulla superficie del cristallo in modo che il cristallo possa crescere.
Qualunque cosa la parola possa significare per te, in scienza dei materiali le dislocazioni sono deviazioni causate da un difetto. Consentono ai cristalli di deformarsi sotto l’azione di forze di taglio. Inoltre, gli scienziati dell’Università di Houston notano nel loro nuovo articolo, “Le velocità di crescita dei cristalli sono in gran parte dettate dalla reazione chimica tra soluto e dislocazioni”. In altre parole, quando le molecole in soluzione si attaccano ai cristalli in modo che crescano, lo fanno legandosi alla dislocazione.
Come accade per molte cose in scienza, capire i dettagli si è rivelato difficile, ma il team di Houston ha esplorato le reazioni di quattro solventi nei siti di dislocazione in modo eccezionalmente dettagliato.
“Mostriamo che il legame di una molecola di soluto a una dislocazione si divide in due reazioni elementari”, riportano. “In primo luogo, la molecola di soluto in arrivo si libera di una frazione del suo guscio di solvente e si attacca alle molecole della dislocazione tramite legami distinti da quelli nel suo stato completamente incorporato. Nella seconda fase, il soluto rompe questi legami iniziali e si sposta alla dislocazione.”
Si forma un legame preliminare tra la molecola di soluto e la dislocazione nella prima fase, ma questo deve essere rotto prima che si possa ottenere l’incorporazione finale, cosa che gli autori ammettono essere controintuitiva.
“Per decenni i ricercatori sulla crescita dei cristalli hanno sognato di elucidare la reazione chimica tra le molecole in arrivo e i siti unici sulla superficie di un cristallo che le accettano, le dislocazioni”, ha detto l’autore senior Professor Peter Vekilov in una dichiarazione. “Il meccanismo di quella reazione, cioè la scala temporale e la scala di lunghezza caratteristiche, i possibili intermedi e le loro stabilità, sono rimasti sfuggenti e oggetto di speculazione per oltre 60 anni.”
Gli autori hanno scoperto che le molecole vengono incorporate nel cristallo molto più lentamente rispetto a quanto il solvente le fornisce. Questo, scrivono, “annuncia la presenza di una barriera di attivazione”. Lo stesso non si osserva quando i cristalli crescono dal gas, indicando che la barriera è un prodotto delle conchiglie nel solvato. I legami tra il soluto e il solvente devono essere rotti per consentire al cristallo di crescere.
Ciò significa, concludono gli autori, che lo stato intermedio prima che le molecole si spostino alla dislocazione determina la velocità di crescita del cristallo.
“Le nozioni di uno stato intermedio e del suo ruolo decisivo nella crescita dei cristalli confutano e sostituiscono l’idea dominante nel campo”, ha detto Vekilov.
Ironicamente, quell’idea dominante – che la barriera di attivazione è determinata dalle interazioni nella soluzione prima degli incontri con il cristallo – è stata proposta decenni fa dal relatore di dottorato di Vekilov, AA Chernov. Forse come segno di pace verso l’ex relatore di Vekilov (che in precedenza ha ricoperto la carica di presidente dell’Organizzazione Internazionale per la Crescita dei Cristalli), gli autori riconoscono che alcuni cristalli possono crescere in un processo a un solo passaggio, ma suggeriscono che questo è “probabilmente limitato a soluti ad alta simmetria che sono comparabili in dimensioni al solvente.”
Per svelare il processo di crescita, gli autori hanno utilizzato non solo la diffrazione dei raggi X – per un secolo il nostro strumento chiave per comprendere le strutture cristalline – e la spettroscopia di assorbimento, ma anche tecniche più avanzate, tra cui la microscopia a forza atomica in situ a risoluzione temporale. Quest’ultima è ora in grado di risolvere oggetti a una scala quasi molecolare.
Lo studio è stato pubblicato nelle Atti della National Academy of Sciences.
