Løsning af et ældgammelt mysterium om krystaldannelse

For en million år siden havde den ældste kendte art, der gik oprejst som et menneske, Homo erectus, en menneskelignende fascination af krystaller. Historikere kan endda fastlægge de mulige årsager - krystaller lignede ikke noget rundt omkring på det tidspunkt - træer, dale, bjerge. Krystaller var et materiale at overveje, en fascinerende afledning for sindet.

Den dag i dag fortsætter den menneskelige optagethed af krystallers magi med at fylde bevidstheden hos forskere, der har udviklet måder at bruge krystaller til alt fra malariakure til solceller og halvledere, katalysatorer og optiske elementer. Gennem årene er krystaller blevet afgørende bestanddele af de teknologier, der muliggør moderne civilisation.

University of Houston-forsker Peter Vekilov og Frank Worley professor i kemisk og biomolekylær ingeniørvidenskab, har offentliggjort i PNAS et svar på, hvordan krystaller dannes, og hvordan molekyler bliver en del af dem.

"I årtier har krystalvækstforskere drømt om at belyse den kemiske reaktion mellem indkommende molekyler og de unikke steder på en krystaloverflade, der accepterer dem, kinkene," sagde Vekilov. "Mekanismen bag denne reaktion, dvs. den karakteristiske tidsskala og længdeskala, mulige mellemprodukter og deres stabiliteter, har forblevet undvigende og genstand for spekulation i over 60 år."

Den største hindring for dybere forståelse har været manglen på data om, hvordan molekyler slutter sig til, forbundet med den komplicerede proces med at bevæge sig fra opløsningen til hvor de vokser.

For at optrevle den kemiske reaktion mellem et molekyle, der opløses i væske (opløst stof) og et knæk, mobiliserede Vekilov to transformationsstrategier, den ene ved hjælp af fulde organiske par og den anden ved hjælp af fire opløsningsmidler med forskellige strukturer og funktioner. Han arbejdede med molekylerne og kombinerede avancerede eksperimentelle teknikker, herunder tidsopløst in situ atomkraftmikroskopi ved nær-molekylær opløsning, røntgendiffraktion, absorptionsspektroskopi og scanningelektronmikroskopi.

Det var da Vekilov gjorde en revolutionerende opdagelse:Inkorporering i kinks kan forekomme i to trin divideret med en mellemtilstand, og stabiliteten af ​​denne mellemtilstand er nøglen til, hvordan krystaller vokser. Det bestemmer dybest set, hvor hurtigt eller langsomt krystallerne dannes, fordi det påvirker, hvor let ting kan slutte sig til under processen

Selvom de nye opdagelser ikke går tilbage til Homo sapiens tid, løser de en 40 år gammel gåde for Vekilov.

"Forestillingerne om en mellemtilstand og dens afgørende rolle i krystalvækst modbeviser og erstatter den dominerende idé på området, som A.A. Chernov, min Ph.D.-rådgiver, har fremført om, at aktiveringsbarrieren for vækst bestemmes af det opløste opløsningsmiddel. interaktioner i løsningen bulk," sagde han.

Det nye paradigme med totrinsinkorporering, medieret af en mellemtilstand, kunne hjælpe med at forstå, hvordan små dele i en væske kan påvirke de detaljerede former for krystaller, der findes i naturen.

"Lige så vigtigt vil dette paradigme guide søgen efter opløsningsmidler og additiver, der stabiliserer den mellemliggende tilstand for at bremse væksten af ​​for eksempel uønskede polymorfer," sagde Vekilov.

Vekilovs team omfatter Jeremy Palmer, Ernest J og Barbara M Henley Lektor i kemisk og biomolekylær ingeniørvidenskab; tidligere kandidatstuderende Rajshree Chakrabarti og Lakshmanji Verma; og Viktor G. Hadjiev, Texas Center for Superledning ved UH.

Flere oplysninger: Rajshree Chakrabarti et al., De elementære reaktioner til inkorporering i krystaller, Proceedings of the National Academy of Sciences (2024). DOI:10.1073/pnas.2320201121

Leveret af University of Houston