Πώς μεγαλώνουν οι κρύσταλλοι; Σε μια διαδικασία δύο βημάτων που οδηγείται από τις στροφές τους

Νέο φως έχει ρίξει στο πώς τα μόρια αφήνουν ένα διάλυμα για να γίνουν μέρος ενός αναπτυσσόμενου κρυστάλλου. Δεδομένου ότι οι ιδιότητες των κρυστάλλων εξαρτώνται από το μέγεθος και το σχήμα τους και επηρεάζονται από τον ρυθμό ανάπτυξής τους, η έρευνα ανοίγει την πόρτα στην τροποποίηση του σχηματισμού κρυστάλλων για τη βελτίωση της χρηστικότητας.

Οι κρύσταλλοι είναι πολύ πιο συνηθισμένοι και σημαντικοί από τις όμορφες πέτρες που είναι η πρώτη σχέση των περισσότερων ανθρώπων με τη λέξη. Μπορούν να σχηματιστούν από βασικές πρωτεΐνες στο σώμα μας, να τροφοδοτήσουν τη ζωή μας με τη μορφή ηλιακών κυψελών και να παρέχουν τους ημιαγωγούς που σας επιτρέπουν να διαβάσετε αυτό το άρθρο. Ωστόσο, κρίσιμες πτυχές της διαδικασίας σχηματισμού κρυστάλλων παρέμειναν μυστηριώδεις. Μια νέα μελέτη αποκαλύπτει πώς τα μόρια προσκολλώνται σε θέσεις στην κρυσταλλική επιφάνεια, ώστε ο κρύσταλλος να μπορεί να αναπτυχθεί.

Ό,τι κι αν σημαίνει η λέξη για εσάς, στην επιστήμη των υλικών οι συστροφές είναι αποκλίσεις που προκαλούνται από ένα ελάττωμα εξάρθρωσης. Επιτρέπουν στους κρυστάλλους να παραμορφώνονται υπό δυνάμεις διάτμησης. Επιπλέον, οι επιστήμονες του Πανεπιστημίου του Χιούστον σημειώνουν στη νέα τους εργασία, «Οι ρυθμοί ανάπτυξης των κρυστάλλων υπαγορεύονται σε μεγάλο βαθμό από τη χημική αντίδραση μεταξύ διαλυμένης ουσίας και συστροφής». Με άλλα λόγια, όταν τα μόρια σε διάλυμα προσκολλώνται σε κρυστάλλους έτσι ώστε να μεγαλώνουν, το κάνουν κολλώντας στη συστροφή.

Όπως συμβαίνει με τόσα πολλά στην επιστήμη, η επεξεργασία των λεπτομερειών έχει αποδειχτεί δύσκολη, αλλά η ομάδα του Χιούστον έχει εξερευνήσει τις αντιδράσεις τεσσάρων διαλυτών σε σημεία συστροφής με εξαιρετική λεπτομέρεια.

«Δείχνουμε ότι η σύνδεση ενός μορίου διαλυμένης ουσίας σε μια συστροφή χωρίζεται σε δύο στοιχειώδεις αντιδράσεις», αναφέρουν. «Πρώτον, το εισερχόμενο μόριο διαλυμένης ουσίας αποβάλλει ένα κλάσμα του κελύφους του διαλύτη και προσκολλάται στα μόρια από τη συστροφή με δεσμούς διαφορετικούς από αυτούς στην πλήρως ενσωματωμένη του κατάσταση. Στο δεύτερο βήμα, η διαλυμένη ουσία σπάει αυτούς τους αρχικούς δεσμούς και μετατοπίζεται στη συστροφή».

Σχηματίζεται ένας προκαταρκτικός δεσμός μεταξύ του μορίου της διαλυμένης ουσίας και της συστροφής στο πρώτο στάδιο, αλλά αυτό πρέπει να σπάσει πριν επιτευχθεί η τελική ενσωμάτωση, κάτι που οι συγγραφείς παραδέχονται ότι είναι αδιανόητο.

«Για δεκαετίες οι ερευνητές της ανάπτυξης των κρυστάλλων ονειρευόντουσαν να αποσαφηνίσουν τη χημική αντίδραση μεταξύ των εισερχόμενων μορίων και των μοναδικών θέσεων σε μια κρυσταλλική επιφάνεια που τα δέχονται, τις στροφές», δήλωσε ο ανώτερος συγγραφέας καθηγητής Peter Vekilov σε μια δήλωση. «Ο μηχανισμός αυτής της αντίδρασης, δηλαδή η χαρακτηριστική χρονική κλίμακα και η κλίμακα μήκους, τα πιθανά ενδιάμεσα και η σταθερότητά τους, παρέμεινε άπιαστο και υπόκειται σε εικασίες για περισσότερα από 60 χρόνια».

Οι συγγραφείς βρήκαν ότι τα μόρια ενσωματώνονται στον κρύσταλλο πολύ πιο αργά από ό,τι τα παρέχει ο διαλύτης. Αυτό, γράφουν, «ανακοινώνει την παρουσία ενός φραγμού ενεργοποίησης». Το ίδιο δεν φαίνεται όταν οι κρύσταλλοι αναπτύσσονται από αέριο, υποδεικνύοντας ότι το φράγμα είναι προϊόν κελυφών στο διαλύτωμα. Οι δεσμοί μεταξύ της διαλυμένης ουσίας και του διαλύτη πρέπει να σπάσουν για να επιτραπεί η ανάπτυξη του κρυστάλλου.

Αυτό σημαίνει, συμπεραίνουν οι συγγραφείς, ότι η ενδιάμεση κατάσταση πριν από τη μετεγκατάσταση των μορίων στη συστροφή καθορίζει την ταχύτητα της ανάπτυξης των κρυστάλλων.

«Οι έννοιες μιας ενδιάμεσης κατάστασης και ο αποφασιστικός ρόλος της στην ανάπτυξη των κρυστάλλων διαψεύδουν και αντικαθιστούν την κυρίαρχη ιδέα στον τομέα», είπε ο Βεκίλοφ.

Κατά ειρωνικό τρόπο, αυτή η κυρίαρχη ιδέα – ότι το φράγμα ενεργοποίησης καθορίζεται από τις αλληλεπιδράσεις στη λύση πριν από τις συναντήσεις με τον κρύσταλλο – προτάθηκε από τον σύμβουλο διδάκτορα του Vekilov, Α.Α. Τσερνόφ, πριν από δεκαετίες. Ίσως σε μια προσφορά ειρήνης στον πρώην σύμβουλο του Vekilov (που προηγουμένως υπηρέτησε ως πρόεδρος του Διεθνούς Οργανισμού Κρυστάλλων), οι συγγραφείς αναγνωρίζουν ότι ορισμένοι κρύσταλλοι μπορεί να αναπτυχθούν σε μια διαδικασία ενός βήματος, αλλά προτείνουν ότι αυτό «πιθανότατα περιορίζεται σε υψηλή συμμετρία διαλυμένη ουσία που είναι συγκρίσιμη σε μέγεθος με τον διαλύτη.»

Για να αποκαλύψουν τη διαδικασία ανάπτυξης, οι συγγραφείς χρησιμοποίησαν όχι μόνο τη διάθλαση ακτίνων Χ – για έναν αιώνα το βασικό μας εργαλείο για την κατανόηση των κρυσταλλικών δομών – και τη φασματοσκοπία απορρόφησης, αλλά πιο προηγμένες τεχνικές, συμπεριλαμβανομένης της μικροσκοπίας ατομικής δύναμης επί τόπου επί τόπου. Το τελευταίο είναι πλέον σε θέση να επιλύει αντικείμενα σχεδόν σε μοριακή κλίμακα.

Η μελέτη δημοσιεύεται στο Proceedings of the National Academy of Sciences.

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *