Hoewel kristallen al eeuwenlang worden bestudeerd en alomtegenwoordig zijn in het dagelijks leven, zitten ze in onze botten, het voedsel dat we eten en de batterijen die we gebruiken - wetenschappers begrijpen nog steeds niet helemaal hoe kristallen groeien of hoe ze efficiënt kunnen worden vervaardigd. Als resultaat, wetenschappelijke inspanningen om een ​​breed scala aan kristallijne materialen te verbeteren, van zelfherstellende biomaterialen tot zonnepanelen, beperkt zijn geweest.

Onderzoekers van de Universiteit van Illinois in Chicago hebben een deel van dit mysterie ontsluierd. Door computergebaseerde simulaties te gebruiken om te analyseren hoe atomen en moleculen in een oplossing bewegen, het UIC-team heeft een algemeen mechanisme voor kristalgroei geïdentificeerd dat wetenschappers kunnen manipuleren bij het ontwikkelen van nieuwe materialen.

specifiek, ze ontdekten dat wanneer kristalvormende moleculen worden omgeven door een oplosmiddel, als water, de oplosmiddelmoleculen vormen een schild dat ze een solvatatieschil noemen. Wanneer dit schild fluctueert, moleculen kunnen losbreken om kristallen te vormen. Ze toonden ook aan dat temperatuur, type oplosmiddel en het aantal oplosmiddelmoleculen hebben allemaal invloed op de fluctuatie van de schaal.

Hun bevindingen worden gerapporteerd in het tijdschrift Proceedings van de National Academy of Sciences .

"Voor de eerste keer, we hebben laten zien wat er gebeurt als een molecuul een oplosmiddel verlaat om een ​​kristal te vormen, " zei Meenesh Singh, senior auteur en assistent-professor chemische technologie aan het UIC College of Engineering. "Onder de juiste omstandigheden het schild 'danst' rond en laat moleculen losbreken en integreren in het kristaloppervlak. De fluctuaties in de solvatatieschil zijn belangrijke moleculaire gebeurtenissen die verklaren hoe kristallen worden gevormd - kennis van dit mechanisme ontbreekt sinds het begin van kristallisatieonderzoek."

Singh zei dat het begrijpen van dit mechanisme wetenschappers een groter vermogen zal geven om moleculen te sturen om kristallen te vormen voor een specifieke structuur, vorm en grootte. "Hierdoor kunnen we betere materialen maken voor een brede reeks producten die in het dagelijks leven worden gebruikt, " hij zei.

Een paar voorbeelden, hij zei, zijn botimplantaten om biomineralisatie te bevorderen, betere medicijnafgiftesystemen, stabielere lithiumbatterijen, en verbeterde halfgeleiders en landbouwchemicaliën.

"Het moleculaire inzicht dat uit deze studie is verkregen, zal ook helpen geld te besparen in verschillende chemische industrieën door de noodzaak van hit-of-miss-technieken in duizenden onderzoeken te verminderen, " zei UIC-afgestudeerde student Anish Dighe, co-auteur van het artikel. "Met behulp van dit onderzoek we kunnen nu systemen ontwerpen die het gewenste opgeloste molecuul kunnen kristalliseren zonder zoveel proeven."