Krystallisering blev krystalklar

Krystallisering er en meget grundlæggende kemisk proces:Skolebørn kan se det med deres egne øjne. Men forskere havde ikke, indtil nu, været i stand til at observere denne proces på molekylært niveau - det vil sige det øjeblik, hvor molekyler overvinder deres tendenser til at flyde individuelt i en flydende opløsning og indtage deres plads i det stive gitter i en fast krystalstruktur. Forskere ved Weizmann Institute of Science har, for første gang, direkte observeret krystallisationsprocessen på molekylært niveau, validering af nogle nyere teorier om krystallisering, samt at vise, at hvis man ved, hvordan krystallen begynder at vokse, man kan forudsige slutstrukturen.

Forskningen fandt sted i laboratoriet af Prof. Ronny Neumann fra Weizmann Instituttets afdeling for organisk kemi. Neumann forklarer, at for at binde sig til hinanden, molekylerne skal overvinde en energibarriere:"Den udbredte teori havde været, at tilfældige kontakter mellem molekyler fører til binding, til sidst skaber små klynger, der bliver kerner for større krystaller at vokse. Men molekylerne, som bevæger sig tilfældigt i løsning, skal justeres korrekt for at krystallisere. I de senere år er forskere begyndt at tro, at denne proces kan udgøre en for høj energibarriere. "

Teorier foreslået i de sidste årtier tyder på, at hvis molekylerne skulle samles i en såkaldt tæt fase, hvor de aggregerer til en sardinlignende tilstand - tæt sammen men uorganiseret - og derefter krystalliserer sig fra denne tilstand, energibarrieren ville være lavere. For at teste teorierne, Neumann og ph.d. -studerende Roy Schreiber skabte store, stive molekyler og frøs dem på plads i opløsning. De placerede derefter den frosne opløsning under en elektronmikroskopstråle, der opvarmede blandingen lige nok til at tillade en vis bevægelse, og dermed interaktioner mellem molekylerne. Justering af løsningens sammensætning ved at tilføje forskellige ioner gjorde det muligt for forskerne at producere krystallisering med og uden tætte faser; for første gang, hjulpet af Dr. Lothar Houben og Sharon Wolf fra elektronmikroskopienheden, de var i stand til at observere tætte faser, der dannes og efterfølgende omdannes til krystalkerner.

Mens begge stater gav krystaller, de eksperimentelle resultater viste, at når tætte faser dannes, energibarrieren for dannelse af en ordnet, krystallinsk arrangement af molekyler er, som teorien forudsagde, nederste.

Forskerne fandt også ud af, at væksten som følge af tætte faser resulterer i større, mere stabile krystalkerner. Derudover opdagede de, at arrangementet af molekyler i fuldt udvoksede krystaller, som de bestemte ved røntgenkrystallografi ved hjælp af Dr. Gregory Leitus fra Chemical Research Support, var i god overensstemmelse med det i de små klynger af få molekyler i de oprindelige kerner. "Det betyder, at de kræfter og faktorer, der bestemmer processen, er konstante under hele krystallens vækst, «siger Neumann.

"Vi har virkelig observeret en elementær begivenhed i kemiens verden, "siger Neumann." Resultaterne fører os også til nye forespørgsler på dette område, ser på effekterne og betydningen af ​​tætte faser på kemisk reaktivitet. "