La imatge a escala atòmica revela una ruta fàcil cap a la formació de cristalls


La imatge a escala atòmica revela una ruta fàcil cap a la formació de cristalls

L’hidròxid d’alumini, representat aquí en taronja, experimenta fluctuacions entre estructures abans de formar un cristall ordenat. Crèdit: Nathan Johnson | Laboratori Nacional del Nord-oest del Pacífic

Què tenen en comú els núvols, les televisions, els productes farmacèutics i fins i tot la brutícia sota els nostres peus? Tots tenen o utilitzen cristalls d’alguna manera. Els cristalls són més que pedres precioses de luxe. Els núvols es formen quan el vapor d’aigua es condensa en cristalls de gel a l’atmosfera. Les pantalles de cristall líquid s’utilitzen en una varietat d’electrònica, des de televisors fins a quadres d’instruments. La cristal·lització és un pas important per al descobriment i la purificació de fàrmacs. Els cristalls també formen roques i altres minerals. El seu paper crucial en el medi ambient és un focus de recerca en ciències de materials i ciències de la salut.

Els científics encara no han entès completament com es produeix la cristal·lització, però fa temps que es reconeix la importància de les superfícies per promoure el procés. La investigació del Pacific Northwest National Laboratory (PNNL), la Universitat de Washington (UW) i la Universitat de Durham aporta una nova llum sobre com es formen els cristalls a les superfícies. Els seus resultats es van publicar a Avenços de la Ciència.

Estudis anteriors sobre la cristal·lització van portar als científics a formar la teoria clàssica de la nucleació, l’explicació predominant de per què els cristalls es comencen a formar o nuclear. Quan els cristalls es nucleen, comencen com a cúmuls efímers molt petits de només uns quants àtoms. Els seus mida petita fa que els clústers siguin extremadament difícils de detectar. Els científics han aconseguit recollir només unes poques imatges d’aquests processos.

“Les noves tecnologies estan fent possible visualitzar el procés de cristal·lització com mai abans”, va dir el químic de la Divisió de Ciències Físiques de PNNL, Ben Legg. Es va associar amb PNNL Battelle Fellow i el professor afiliat de la UW James De Yoreo per fer-ho. Amb l’ajuda del professor Kislon Voitchovsky de la Universitat de Durham a Anglaterra, van utilitzar una tècnica anomenada microscòpia de força atòmica observar la nucleació d’un mineral d’hidròxid d’alumini a la superfície d’una mica a l’aigua.

La mica és un mineral comú, que es troba en tot, des de panells de guix fins a cosmètics. Sovint proporciona una superfície perquè altres minerals es nuclein i creixin. Per a aquest estudi, però, la seva característica més important era el seu extrem superfície planaque va permetre als investigadors detectar els cúmuls de pocs àtoms a mesura que es formaven a la mica.

El que Legg i De Yoreo van observar va ser un patró de cristal·lització que no s’esperava del teoria clàssica. En lloc d’un esdeveniment rar en què un cúmul d’àtoms assoleix una mida crítica i després creix a la superfície, van veure milers de cúmuls fluctuants que es van unir en un patró inesperat amb buits que van persistir entre les “illes” cristal·lines.

Després d’una anàlisi acurada dels resultats, els investigadors van concloure que, tot i que certs aspectes de la teoria actual eren certs, finalment el seu sistema va seguir un camí no clàssic. Ho atribueixen a les forces electrostàtiques de les càrregues de la mica superfície. Com que molts tipus de materials formen superfícies carregades a l’aigua, els investigadors plantegen la hipòtesi que van observar un fenomen generalitzat i estan emocionats de buscar altres sistemes on es pugui produir aquest procés no clàssic.

“Els supòsits de la teoria clàssica de la nucleació tenen implicacions de gran abast en disciplines que van des de ciència dels materials a la predicció del clima”, va dir De Yoreo. “Els resultats dels nostres experiments poden ajudar a produir simulacions més precises d’aquests sistemes”.


Ordena: un nou estudi revela la importància de l’ordenació estructural líquida en la cristal·lització


Més informació:
Benjamin A. Legg et al, Les pel·lícules d’hidròxid sobre mica formen microfases estabilitzades per càrrega que eluden les barreres de nucleació, Avenços de la Ciència (2022). DOI: 10.1126/sciadv.abn7087

Citació: La imatge a escala atòmica revela una ruta fàcil cap a la formació de cristalls (2022, 23 de setembre) recuperada el 23 de setembre de 2022 a https://phys.org/news/2022-09-atomic-scale-imaging-reveals-facile-route.html

Aquest document està subjecte a drets d’autor. A part de qualsevol tracte just amb finalitats d’estudi o investigació privats, no es pot reproduir cap part sense el permís per escrit. El contingut es proporciona només amb finalitats informatives.