Revolutionære billeder af krystallers fødsel

I grænsefladen mellem kemi og fysik er krystalliseringsprocessen allestedsnærværende i naturen og industrien. Det er grundlaget for dannelsen af ​​snefnug, men også for visse aktive ingredienser, der anvendes i farmakologi. For at fænomenet kan opstå for et givet stof, skal det først igennem et stadie kaldet kernedannelse, hvor molekylerne organiserer sig og skaber de optimale betingelser for dannelsen af ​​krystaller. Selvom det har været vanskeligt at observere præ-nukleationsdynamik, er denne nøgleproces nu blevet afsløret af et forskerhold fra Universitetet i Genève (UNIGE). Det er lykkedes forskerne at visualisere denne proces spektroskopisk i realtid og i mikrometrisk skala, hvilket banede vejen for design af sikrere og mere stabile aktive stoffer. Disse resultater kan findes iProceedings of the National Academy of Sciences (PNAS ).

Krystallisation er en kemisk og fysisk proces, der anvendes på mange områder, fra den farmaceutiske industri til fødevareforarbejdningen. Det bruges til at isolere et gasformigt eller flydende stof i form af krystaller. Dette fænomen er dog ikke unikt for industrien; den er allestedsnærværende i naturen og kan for eksempel ses i snefnug, koraller eller nyresten.

For at krystaller kan dannes fra stoffer, skal de først gennemgå et afgørende trin kaldet kernedannelse. Det er i denne første fase, at molekylerne begynder at arrangere sig selv til at danne "kerner", stabile klynger af molekyler, hvilket fører til udvikling og vækst af krystaller. Denne proces foregår stokastisk, hvilket betyder, at det ikke er forudsigeligt, hvornår og hvor en kerne dannes. "Indtil nu har forskere kæmpet for at visualisere dette første stadium på molekylært niveau. Det mikroskopiske billede af krystalkernedannelse har været under intens debat. Nylige undersøgelser tyder på, at molekyler ser ud til at danne en uordnet organisation før dannelsen af ​​kerner. Så hvordan den krystallinske orden dukker op fra dem? Det er et stort spørgsmål," forklarer Takuji Adachi, adjunkt ved Institut for Fysisk Kemi ved UNIGE Fakultet for Naturvidenskab.

Optagelse af én krystalkernedannelseshændelse ad gangen

Takuji Adachis team, støttet af to forskere fra Institut for Kemi ved McGill University (Nathalie LeMessurier og Lena Simine), har taget et afgørende skridt ved at lykkes med at observere kernedannelsesprocessen af ​​en individuel krystal i mikrometrisk skala ved optisk spektroskopi. "Det er lykkedes for os at demonstrere og visualisere organiseringen og dannelsen af ​​molekylære aggregater, der går forud for krystallisering," forklarer Johanna Brazard, en forsker ved Institut for Fysisk Kemi og med-førsteforfatter af forskningen.

For at observere dette fænomen kombinerede forskerne Raman-mikrospektroskopi - en teknik baseret på lysets interaktion med stof for at opnå information om dets sammensætning - og optisk fangst. "Vi brugte lasere til at fremhæve den molekylære struktur under kernedannelsen, men også til at inducere kernedannelsesfænomenet og dermed være i stand til at observere det og registrere dets spektrale aftryk," forklarer Oscar Urquidi, der er ph.d.-studerende ved Institut for Fysisk Kemi og co-first. forfatter til denne forskning. Modelstoffet, der blev valgt til at udføre disse eksperimenter, var glycin, en aminosyre, der er en essentiel byggesten i livet, opløst i vand.

"Vores arbejde har afsløret et krystalliseringsstadium, som tidligere var usynligt, siger Takuji Adachi. At visualisere mere præcist og bedre at forstå, hvad der sker på molekylært niveau, er meget nyttigt til at styre visse manipulationer mere effektivt." Især kunne denne opdagelse gøre det lettere at opnå renere og mere stabile krystalstrukturer for visse stoffer, der bruges i design af mange lægemidler eller materialer. + Udforsk yderligere

Isdannelse på overflader forbedret via en ikke-klassisk kernedannelsesproces