Toen Duitse onderzoekers time-lapse-beelden van oplossende kristallen op nanoschaal onderzochten, ze vonden een verrassing:het oplossen gebeurde in pulsen, gekenmerkt door golven die zich verspreiden als rimpelingen op een vijver.

"Wat we zien zijn golven of ringen, " zei hoofdonderzoeker Cornelius Fischer, die dit onderzoek deed aan de Universiteit van Bremen in de groep van Prof. Andreas Lüttge. "We hebben een kuil in het midden, en dan rond deze putten zijn ringen van massaverwijdering." Het onderzoek is gepubliceerd in de Proceedings van de National Academy of Sciences . Fischer en Lüttge zijn gespecialiseerd in het bestuderen van interacties tussen mineralen en vloeistoffen, en werken al meer dan 15 jaar samen in de VS en Duitsland.

In het dagelijkse leven, het oplossen van kristallen is net zo eenvoudig als het roeren van suiker in een glas water. En zoals elk kind dat snoep heeft gemaakt weet, het proces werkt ook omgekeerd:er zullen zich suikerkristallen vormen als water uit het glas verdampt. Lüttge zei dat wetenschappers al lang weten dat kristallen zich vormen door een continu proces wanneer moleculen vanuit de oplossing worden afgezet in het reguliere kristalrooster van de vaste stof die ze vormen.

"We dachten altijd dat ontbinding een continu proces was, een soort omgekeerde kristalvorming, en we waren verbaasd toen deze experimenten aantoonden dat dit geen continu proces was, " zei Fischer. "In plaats daarvan, wat we zagen waren pulsen rond deze putten."

De pulsen worden duidelijk weergegeven in tariefkaarten, stilstaande beelden met hoge resolutie die de snelheid vastleggen waarmee materiaal in de loop van de tijd oplost van het oppervlak van een kristal. In experimenten bij MARUM, Cornelius Fischer wijzigde een beeldvormingstechniek genaamd "vertical scanning interferometrie" die Lüttge pionierde aan de Rice University (Houston, VS) in de vroege jaren 2000 om 'oppervlaktereactiesnelheidskaarten' te maken.

"De kaarten tonen de verdeling van de materiaalflux en illustreren zo de oppervlaktereactiviteit, " zei Fischer, een voormalig MARUM-postdoctoraal onderzoeker die nu hoofd is van een onderzoeksgroep bij het onafhankelijke Duitse onderzoekslaboratorium Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf. "Tijdens de routinematige analyse van tariefkaartgegevens, we ontdekten het bestaan ​​van een opmerkelijk patroon van oppervlaktereactiviteit. Dit was het startpunt voor een systematische analyse van de functies van de pulserende snelheidskaart."

Met behulp van monsters van eerst zinkoxide en later calciumcarbonaat, Fischer maakte kaarten die elke dip en stijging op het oppervlak van het kristal lieten zien tot een resolutie van 1 nanometer, of 1 miljardste van een meter. Elke scan verzamelde meer dan 4 miljoen metingen van een oppervlak van niet meer dan een vierkante centimeter. Door opeenvolgende snapshots te maken van het oppervlak van een kristal terwijl het oploste, konden ze de snelheid meten waarmee het kristal oploste als een functie van de oppervlaktehoogte.

Wetenschappers hebben lang het belang begrepen dat kleine oppervlaktedefecten spelen bij het oplossen van kristallen. De minuscule kuiltjes die "etskuilen" worden genoemd, leggen kristalranden bloot en vergroten de kans dat een oplosmiddel, als water, zal chemisch reageren met atomen uit het kristal. Het proces is vergelijkbaar met hoe roest ijzer of staal wegvreet.

Toen ze hun snelheidskaarten voor het oplossen van calciet- en zinkoxidekristallen onderzochten, Lüttge en Fischer vonden "ritmische fluctuaties van de dichtheid van de reactieve oppervlakteplaats, " of oplospulsen die zich verspreiden als ringen van etsputten en schroefdislocaties, net als rimpelingen die zich verspreiden vanaf het punt waar een kiezelsteen in een vijver valt.

"De complexe superpositie van pulsen bepaalt het algehele resultaat, en we zijn nu in staat om te begrijpen - en, het belangrijkste, te kwantificeren-patronen als het startpunt voor de vorming van porositeit in vaste materialen tijdens het oplossen, " zei Fischer. Lüttge zei dat de ontdekking bijdraagt ​​aan het fundamentele begrip van wetenschappers over het oplossen van kristallen en onderzoekers zou kunnen helpen op uiteenlopende gebieden als corrosiepreventie en farmaceutische productie.