Kristallisatie beschrijft de vorming van geordende structuren uit de ongeordende bestanddelen van een vloeistof. Hoewel de fundamentele theorie van kristalvorming op grote schaal is onderzocht en over het algemeen goed is ingeburgerd, er zijn nog steeds hiaten in het begrip. Onderzoekers van de Universiteit van Tokio, Instituut voor Industriële Wetenschappen, en Tokyo Metropolitan University hebben experimentele bevindingen gerapporteerd die koppeling tussen faseovergangen onthullen die leiden tot drastische verbetering van kristalvorming. Hun bevindingen zijn gepubliceerd in PNAS .

Binnen een vloeistof - zelfs vloeistoffen die uit slechts één component bestaan ​​- kunnen er meerdere verschillende fasen met verschillende eigenschappen zijn. Variaties in de experimentele omstandigheden kunnen ervoor zorgen dat de vloeistof van een van deze fasen in een andere verandert in een proces dat vloeistof-vloeistofovergang (LLT) wordt genoemd. Als deze overgangen net onder het smeltpunt van het kristal plaatsvinden, ze kunnen de initiële vorming beïnvloeden, bekend als nucleatie. Echter, het mechanisme voor dergelijke effecten en de algemene toepasbaarheid van deze waarnemingen blijven onbekend.

De onderzoekers rapporteren een significante koppeling van kristallisatie en LLT voor het moleculaire vloeibare trifenylfosfiet. Door de vloeistof te gloeien - af te koelen en te houden - bij temperaturen die verband houden met de LLT van het materiaal, ze waren in staat om de kiemvormingssnelheid en frequentie van de daaropvolgende kristallisatie aanzienlijk te verbeteren.

"We waren in staat om de kinetische en thermodynamische factoren die bijdragen aan kristalvorming te scheiden, " legt hoofdauteur van de studie Rei Kurita uit. "De LLT's veroorzaakt door annealing leiden tot veranderingen in de lokale volgorde van de moleculen. Vanwege het verband dat we hebben vastgesteld tussen kristallisatie en LLT's, deze veranderingen veroorzaken soortgelijke veranderingen in de kristalfase, die de energie tussen de kristal- en vloeibare fasen verlaagt, waardoor het gemakkelijker wordt voor kristallen om te kiemen. We hopen dat onze bevindingen kunnen worden gebruikt als handvat om het kristallisatiegedrag te sturen."

Naast het leiden tot controle en afstemming van kristallisatie-effecten, de onderzoekers zijn van mening dat hun bevindingen ook kunnen worden gebruikt om materiaaleigenschappen te onderzoeken door LLT's te identificeren in materialen waar hun effecten worden verdoezeld door kristallisatie. Bijvoorbeeld, de aanpak kan worden gebruikt om een ​​dieper begrip van water te krijgen, silicium, germanium, en metalen vloeistofsystemen.

"Onze bevindingen bieden nuttig inzicht voor het begrijpen en beheersen van kristallisatie, " studie auteur Hajime Tanaka legt uit. "Wij geloven dat ons werk significante implicaties kan hebben voor zowel fundamentele studies als industriële toepassingen; bijvoorbeeld, bij het verkrijgen van eiwitkristallen voor gebruik bij ziekteonderzoek, of in nanokristallijne materialen voor gebruik in technologie."