Twee nieuwe technieken, atomaire resolutie real-time video en conische koolstof nanobuis opsluiting, stellen onderzoekers in staat om nooit eerder vertoonde details over kristalvorming te bekijken. De waarnemingen bevestigen theoretische voorspellingen over hoe zoutkristallen zich vormen en zouden algemene theorieën kunnen informeren over de manier waarop kristalvorming verschillende geordende structuren produceert uit een anders ongeordend chemisch mengsel.

Kristallen bevatten veel bekende dingen, zoals sneeuwvlokken, zoutkorrels en zelfs diamanten. Het zijn regelmatige en herhalende arrangementen van samenstellende moleculen die groeien uit een chaotische zee van die moleculen. Het proces van groei van deze wanordelijke toestand naar een geordende staat staat bekend als nucleatie, en hoewel het eeuwenlang is bestudeerd, de exacte gang van zaken op atomair niveau is nooit experimenteel bevestigd, tot nu.

Het is niet alleen voldoende om moleculen op atomair niveau te kunnen zien - dat vermogen is al een paar decennia bij ons. Het ding over de groei van een kristal is, het is een dynamisch proces en observaties van zijn ontwikkeling zijn net zo belangrijk als observaties van zijn structuur. Gelukkig, onderzoekers van de afdeling Scheikunde van de Universiteit van Tokyo hebben dit opgelost met hun real-time elektronenmicroscopietechniek met één molecuul atomaire resolutie, of SMART-EM. Deze legt details van chemische processen vast met 25 beelden per seconde.

"Een van onze masterstudenten, Masaya Sakakibara, gebruikte SMART-EM om het gedrag van natriumchloride (NaCl)—zout, ", zei projectassistent-professor Takayuki Nakamuro. "Om monsters op hun plaats te houden, we gebruiken atoomdikke koolstof nanohoorns, een van onze eerdere uitvindingen. Met de verbluffende video's die Sakakibara heeft gemaakt, we zagen meteen de mogelijkheid om de structurele en statistische aspecten van kristalkiemvorming in ongekend detail te bestuderen."

Nakamuro en zijn team keken naar de video's die Sakakibara had gemaakt en waren de eerste mensen die ooit minuscule kubusvormige kristallen van tientallen moleculen NaCl zagen opduiken uit het chaotische mengsel van afzonderlijke natrium- en chloride-ionen. Onmiddellijk, ze merkten een statistisch patroon op in de frequentie waarmee de kristallen tevoorschijn kwamen; het volgde wat bekend staat als een normale verdeling, die lang is getheoretiseerd, maar nu pas experimenteel geverifieerd.

"Zout is slechts onze eerste modelsubstantie om de fundamenten van kiemvormingsgebeurtenissen te onderzoeken, " zei universiteitshoogleraar Eiichi Nakamura. "Zout kristalliseert maar op één manier. Maar andere moleculen, zoals koolstof, kan op meerdere manieren kristalliseren, leidend tot grafiet of diamant. Dit wordt polymorfisme genoemd en niemand heeft de vroege stadia gezien van de kiemvorming die ertoe leidt. Ik hoop dat onze studie de eerste stap is om het mechanisme van polymorfisme te begrijpen."

Het team heeft echter niet alleen diamanten in gedachten; polymorfisme in kristalgroei is ook een essentieel proces bij de productie van sommige farmaceutische en elektronische componenten.