Op het grensvlak tussen scheikunde en natuurkunde is het proces van kristallisatie alomtegenwoordig in de natuur en de industrie. Het is de basis voor de vorming van sneeuwvlokken, maar ook voor bepaalde actieve ingrediënten die in de farmacologie worden gebruikt. Om het fenomeen voor een bepaalde stof te laten optreden, moet het eerst een fase doorlopen die nucleatie wordt genoemd, waarin de moleculen zichzelf organiseren en de optimale omstandigheden creëren voor de vorming van kristallen. Hoewel het moeilijk was om de pre-nucleatiedynamiek waar te nemen, is dit sleutelproces nu onthuld door het werk van een onderzoeksteam van de Universiteit van Genève (UNIGE). De wetenschappers zijn erin geslaagd dit proces spectroscopisch in realtime en op micrometrische schaal in beeld te brengen, waardoor de weg is vrijgemaakt voor het ontwerpen van veiligere en stabielere werkzame stoffen. Deze resultaten zijn te vinden in de Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS ).

Kristallisatie is een chemisch en fysisch proces dat op veel gebieden wordt gebruikt, van de farmaceutische industrie tot voedselverwerking. Het wordt gebruikt om een ​​gasvormige of vloeibare stof in de vorm van kristallen te isoleren. Dit fenomeen is echter niet uniek voor de industrie; het is alomtegenwoordig in de natuur en kan bijvoorbeeld worden gezien in sneeuwvlokken, koraal of nierstenen.

Om kristallen uit stoffen te vormen, moeten ze eerst een cruciale fase doorlopen die nucleatie wordt genoemd. Het is tijdens deze eerste fase dat de moleculen zich beginnen te rangschikken om "kernen" te vormen, stabiele clusters van moleculen, wat leidt tot de ontwikkeling en groei van kristallen. Dit proces vindt stochastisch plaats, wat betekent dat het niet voorspelbaar is wanneer en waar een kern wordt gevormd. "Tot nu toe hebben wetenschappers geworsteld om deze eerste fase op moleculair niveau te visualiseren. Het microscopische beeld van kristalkiemvorming staat onder hevige discussie. Recente studies suggereren dat moleculen een of andere ongeordende organisatie lijken te vormen vóór de vorming van kernen. de kristallijne orde die daaruit voortkomt? Dat is een grote vraag", legt Takuji Adachi, assistent-professor bij de afdeling Fysische Chemie van de UNIGE-faculteit Wetenschappen, uit.

Eén kristalkiemvormingsgebeurtenis tegelijk vastleggen

Het team van Takuji Adachi, ondersteund door twee onderzoekers van de afdeling Scheikunde aan de McGill University (Nathalie LeMessurier en Lena Simine), heeft een beslissende stap gezet door met optische spectroscopie het kiemvormingsproces van een individueel kristal op micrometrische schaal te observeren. "We zijn erin geslaagd de organisatie en vorming van moleculaire aggregaten die voorafgaan aan kristallisatie aan te tonen en te visualiseren", legt Johanna Brazard, een onderzoeker bij de afdeling Fysische Chemie en mede-eerste auteur van het onderzoek, uit.

Om dit fenomeen te observeren, combineerden de wetenschappers Raman-microspectroscopie - een techniek die gebaseerd is op de interactie van licht met materie om informatie te verkrijgen over de samenstelling - en optische trapping. "We gebruikten lasers om de moleculaire structuur tijdens de kiemvorming te benadrukken, maar ook om het kiemvormingsfenomeen te induceren en zo het te kunnen observeren en de spectrale afdruk ervan vast te leggen", legt Oscar Urquidi, een doctoraalstudent bij de afdeling Fysische Chemie en mede-eerste auteur van dit onderzoek. De modelstof die werd gekozen om deze experimenten uit te voeren, was glycine, een aminozuur dat een essentiële bouwsteen van het leven is, opgelost in water.

"Ons werk heeft een stadium van kristallisatie aan het licht gebracht dat voorheen onzichtbaar was, zegt Takuji Adachi. Het nauwkeuriger visualiseren en beter begrijpen van wat er op moleculair niveau gebeurt, is erg handig om bepaalde manipulaties effectiever te sturen." Deze ontdekking zou het met name gemakkelijker kunnen maken om zuiverdere en stabielere kristalstructuren te verkrijgen voor bepaalde stoffen die worden gebruikt bij het ontwerpen van veel medicijnen of materialen. + Verder verkennen

IJsvorming op oppervlakken versterkt door een niet-klassiek kiemvormingsproces