Kristallisatie is een heel basaal chemisch proces:schoolkinderen kunnen het met eigen ogen aanschouwen. Maar wetenschappers hadden niet, tot nu, in staat zijn geweest om dit proces op moleculair niveau te observeren - dat wil zeggen, het moment waarop moleculen hun neiging overwinnen om individueel in een vloeibare oplossing te drijven en hun plaats in het stijve rooster van een vaste kristalstructuur in te nemen. Onderzoekers van het Weizmann Institute of Science hebben, Voor de eerste keer, direct waargenomen het proces van kristallisatie op moleculair niveau, het valideren van enkele recente theorieën over kristallisatie, en laat zien dat als je weet hoe het kristal begint te groeien, men kan de eindstructuur voorspellen.

Het onderzoek vond plaats in het laboratorium van prof.dr. Ronny Neumann van de afdeling Organische Chemie van het Weizmann Instituut. Neumann legt uit dat om aan elkaar te binden, de moleculen moeten een energiebarrière overwinnen:"De heersende theorie was dat toevallige contacten tussen moleculen tot binding leiden, uiteindelijk creëren ze kleine clusters die kernen worden voor grotere kristallen om te groeien. Maar de moleculen die willekeurig in oplossing bewegen, moet goed worden uitgelijnd om te kristalliseren. De laatste jaren beginnen onderzoekers te denken dat dit proces een te hoge energiebarrière zou kunnen vormen."

Theorieën die in de afgelopen decennia zijn voorgesteld, suggereren dat als de moleculen zouden samenkomen in een zogenaamde dichte fase, waarin ze aggregeren tot een sardine-achtige staat - dicht bij elkaar maar ongeorganiseerd - en dan kristalliseren uit deze staat, de energiebarrière zou lager zijn. Om de theorieën te testen, Neumann en promovendus Roy Schreiber creëerden grote, stijve moleculen en bevroor ze op hun plaats in oplossing. Vervolgens plaatsten ze de bevroren oplossing onder een elektronenmicroscoopstraal die het mengsel net genoeg opwarmde om enige beweging mogelijk te maken, en dus interacties tussen de moleculen. Door de samenstelling van de oplossing aan te passen door verschillende ionen toe te voegen, konden de wetenschappers kristallisatie produceren met en zonder dichte fasen; Voor de eerste keer, geholpen door drs. Lothar Houben en Sharon Wolf van de Elektronenmicroscopie-eenheid, ze waren in staat om dichte fasen te observeren die zich vormden en vervolgens transformeerden in kristalkernen.

Terwijl beide staten kristallen opleverden, de experimentele resultaten toonden aan dat wanneer zich dichte fasen vormen, de energiebarrière voor de vorming van een ordelijke, kristallijne rangschikking van moleculen is, zoals de theorie voorspelde, lager.

De wetenschappers ontdekten ook dat de groei die voortkomt uit dichte fasen resulteert in grotere, stabielere kristalkernen. Bovendien ontdekten ze dat de rangschikking van moleculen in volgroeide kristallen, die ze bepaalden door röntgenkristallografie met de hulp van Dr. Gregory Leitus van Chemical Research Support, kwam goed overeen met die in de kleine clusters van slechts enkele moleculen in de oorspronkelijke kernen. "Dit betekent dat de krachten en factoren die het proces bepalen constant zijn tijdens de groei van het kristal, ’ zegt Neumann.

"We hebben echt een elementaire gebeurtenis waargenomen in de wereld van de chemie, ", zegt Neumann. "De bevindingen leiden ons ook naar nieuwe onderzoeken op dit gebied, kijken naar de effecten en betekenis van dichte fasen op chemische reactiviteit."