Undersøgelse afslører brud på dansebarrieren styrer krystalvækst

Mens krystaller er blevet undersøgt i århundreder og er allestedsnærværende i det daglige liv - er de i vores knogler, den mad, vi spiser, og de batterier, vi bruger – videnskabsmænd forstår stadig ikke helt, hvordan krystaller vokser, eller hvordan man effektivt fremstiller dem. Som resultat, videnskabelige bestræbelser på at forbedre en bred vifte af krystallinske materialer, fra selvhelbredende biomaterialer til solpaneler, har været begrænset.

Forskere ved University of Illinois i Chicago har låst en del af dette mysterium op. Ved at bruge computerbaserede simuleringer til at analysere, hvordan atomer og molekyler bevæger sig i en opløsning, UIC-teamet har identificeret en generel mekanisme, der styrer krystalvækst, som videnskabsmænd kan manipulere, når de udvikler nye materialer.

Specifikt, de fandt ud af, at når krystaldannende molekyler er omgivet af et opløsningsmiddel, som vand, opløsningsmiddelmolekylerne danner et skjold, som de kalder en solvatiseringsskal. Når dette skjold svinger, molekyler kan bryde fri og danne krystaller. De viste også, at temperatur, opløsningsmiddeltype og antallet af opløsningsmiddelmolekyler påvirker alle skallens udsving.

Deres resultater er rapporteret i tidsskriftet Proceedings of the National Academy of Sciences .

"For første gang, vi har vist, hvad der sker, når et molekyle forlader et opløsningsmiddel og danner en krystal, " sagde Meeesh Singh, seniorforfatter og adjunkt i kemiteknik ved UIC College of Engineering. "Under de rette betingelser, skjoldet 'danser' rundt og tillader molekyler at bryde fri og integrere sig i krystaloverfladen. Udsvingene i solvatiseringsskallen er vigtige molekylære begivenheder, der forklarer, hvordan krystaller dannes - viden om denne mekanisme har manglet siden begyndelsen af ​​krystallisationsforskning."

Singh sagde, at forståelsen af ​​denne mekanisme vil give videnskabsmænd større evne til at dirigere molekyler til at danne krystaller til specifik struktur, form og størrelse. "Dette vil give os mulighed for at lave bedre materialer til en bred klasse af produkter, der bruges i dagligdagen, " han sagde.

Nogle eksempler, han sagde, er knogleimplantater for at fremme biomineralisering, bedre lægemiddelleveringssystemer, mere stabile lithium-batterier, og forbedrede halvledere og landbrugskemikalier.

"Den molekylære indsigt opnået fra denne undersøgelse vil også hjælpe med at spare penge i forskellige kemiske industrier ved at reducere behovet for hit or miss-teknikker i tusindvis af forsøg, " sagde UIC kandidatstuderende Anish Dighe, medforfatter til avisen. "Ved hjælp af denne undersøgelse, vi kan nu designe systemer, der kan krystallisere det ønskede opløste molekyle uden så mange forsøg."