Een miljoen jaar geleden had de oudste bekende soort die rechtop liep als een mens, de Homo erectus, een mensachtige fascinatie voor kristallen. Historici kunnen zelfs de mogelijke redenen achterhalen (kristallen leken toen nog nergens op) bomen, valleien, bergen. Kristallen waren stof om over na te denken, een fascinerende afleiding voor de geest.

Tot op de dag van vandaag blijft de menselijke preoccupatie met de magie van kristallen het geestesoog vullen van wetenschappers die manieren hebben ontwikkeld om kristallen voor van alles te gebruiken, van malariamedicijnen tot zonnecellen en halfgeleiders, katalysatoren en optische elementen. Door de jaren heen zijn kristallen cruciale bestanddelen geworden van de technologieën die de moderne beschaving mogelijk maken.

Onderzoeker Peter Vekilov van de Universiteit van Houston en Frank Worley, hoogleraar chemische en biomoleculaire technologie, hebben gepubliceerd in PNAS een antwoord op de vraag hoe kristallen worden gevormd en hoe moleculen er deel van uitmaken.

"Al tientallen jaren dromen onderzoekers van kristalgroei ervan de chemische reactie op te helderen tussen binnenkomende moleculen en de unieke plekken op een kristaloppervlak die ze accepteren, de knikken", zegt Vekilov. "Het mechanisme van die reactie, d.w.z. de karakteristieke tijdschaal en lengteschaal, mogelijke tussenproducten en hun stabiliteit, is al meer dan 60 jaar ongrijpbaar en onderwerp van speculatie."

Het belangrijkste obstakel voor een beter begrip is het gebrek aan gegevens over de manier waarop moleculen meedoen, verbonden aan het ingewikkelde proces om van de oplossing naar de plek te gaan waar ze groeien.

Om de chemische reactie tussen een molecuul dat oplost in vloeistof (opgeloste stof) en een knik te ontrafelen, mobiliseerde Vekilov twee transformationele strategieën, één met behulp van volledige organische paren en de tweede met behulp van vier oplosmiddelen met verschillende structuren en functies. Door met de moleculen te werken, combineerde hij de modernste experimentele technieken, waaronder tijdsopgeloste in situ atoomkrachtmicroscopie met een bijna moleculaire resolutie, röntgendiffractie, absorptiespectroscopie en scanning-elektronenmicroscopie.

Dat is het moment waarop Vekilov een revolutionaire ontdekking deed:opname in knikken kan in twee stappen plaatsvinden, gedeeld door een tussentoestand, en de stabiliteit van deze middentoestand is van cruciaal belang voor de manier waarop kristallen groeien. Het bepaalt feitelijk hoe snel of langzaam de kristallen zich vormen, omdat het van invloed is op hoe gemakkelijk dingen kunnen meedoen tijdens het proces

Hoewel de nieuwe ontdekkingen niet dateren uit de Homo sapien-tijd, lossen ze wel een 40 jaar oud raadsel voor Vekilov op.

“De noties van een tussentoestand en de beslissende rol ervan in de kristalgroei weerleggen en vervangen het dominante idee in dit veld, naar voren gebracht door A.A. Chernov, mijn PhD-adviseur, dat de activeringsbarrière voor groei wordt bepaald door de opgeloste stof-oplosmiddel interacties in de oplossingsmassa', zei hij.

Het nieuwe paradigma van integratie in twee stappen, gemedieerd door een tussentoestand, zou kunnen helpen begrijpen hoe kleine deeltjes in een vloeistof de gedetailleerde vormen van kristallen in de natuur kunnen beïnvloeden.

"Net zo belangrijk is dat dit paradigma de zoektocht naar oplosmiddelen en additieven zal begeleiden die de tussenliggende toestand stabiliseren om de groei van bijvoorbeeld ongewenste polymorfen te vertragen," zei Vekilov.

Het team van Vekilov bestaat uit Jeremy Palmer, Ernest J en Barbara M Henley, universitair hoofddocent chemische en biomoleculaire technologie; voormalig afgestudeerde studenten Rajshree Chakrabarti en Lakshmanji Verma; en Viktor G. Hadjiev, Texas Center for Superconductivity bij UH.

Meer informatie: Rajshree Chakrabarti et al, De elementaire reacties voor opname in kristallen, Proceedings of the National Academy of Sciences (2024). DOI:10.1073/pnas.2320201121

Aangeboden door Universiteit van Houston