Van Moeder Natuur tot onze onmisbare apparaten, we zijn omringd door kristallen. Die hoffelijkheid van de voormalige, zoals ijs en sneeuw, kan zich spontaan en symmetrisch vormen. Maar de op silicium gebaseerde of galliumnitridekristallen die in LED's en andere elektronica worden aangetroffen, vereisen een beetje overhalen om hun ideale vormen en uitlijning te bereiken.

Bij UC Santa Barbara, onderzoekers hebben nu een ander stukje van de theoretische puzzel ontgrendeld die de groei van kristallen regelt - een ontwikkeling die tijd en energie kan besparen in de vele processen die kristalvorming vereisen.

"De manier waarop de meeste industriële processen tegenwoordig worden ontworpen, is door een uitputtend groot aantal experimenten uit te voeren om erachter te komen hoe kristallen groeien en met welke snelheid ze groeien onder verschillende omstandigheden, " zei UCSB chemisch ingenieur Michael Doherty, een auteur van een artikel dat verschijnt in de Proceedings van de National Academy of Sciences . sneeuwvlokken, bijvoorbeeld, vormen anders als ze vallen, afhankelijk van variabele omstandigheden zoals temperatuur en vochtigheid, vandaar de wijdverbreide overtuiging dat geen twee hetzelfde zijn. Na het bepalen van de optimale omstandigheden voor de groei van het kristal naar keuze, De toegevoegde apparatuur van Doherty moet worden ontworpen en gekalibreerd om een ​​consistente groeiomgeving te bieden.

Echter, door tientallen jaren expertise te bundelen, Doherty, samen met UCSB-collega Baron Peters en voormalig afgestudeerde student Mark Joswiak (nu bij Dow Chemical) hebben ze een rekenmethode ontwikkeld om groeisnelheden voor ionische kristallen onder verschillende omstandigheden te helpen voorspellen. Met behulp van een relatief eenvoudig kristal-natriumchloride (NaCl, beter bekend als tafelzout) - in water, de onderzoekers legden de basis voor de analyse van complexere kristallen.

Ionische kristallen kunnen met het blote oog - en zelfs onder enige vergroting - lijken te bestaan ​​​​uit perfect gladde en gelijkmatige gezichten. Maar als je beter kijkt, zul je vaak zien dat ze oppervlaktekenmerken bevatten die hun groeivermogen beïnvloeden, en de grotere vormen die ze aannemen.

"Er zijn dislocaties en rond de dislocaties zijn er spiralen, en rond de spiralen zijn er randen, en rond de randen zijn er knikken, "Petrus zei, "en elk niveau vereist een theorie om het aantal van die functies en de snelheid waarmee ze veranderen te beschrijven." Op de kleinste schaal, ionen in oplossing kunnen zich niet gemakkelijk hechten aan het groeiende kristal omdat watermoleculen die solvateren (interactie met) de ionen niet gemakkelijk worden losgemaakt, hij zei. Met zoveel processen die op zoveel schalen plaatsvinden, het is gemakkelijk om te zien hoe moeilijk het kan zijn om de groei van een kristal te voorspellen.

"De grootste uitdaging was het toepassen van de verschillende technieken en methoden op een nieuw probleem:het onderzoeken van ionenaanhechting en -loslating op knikpunten aan het oppervlak, waar er een gebrek aan symmetrie is in combinatie met sterke ion-water interacties, " zei Joswiak. "Echter, toen we problemen tegenkwamen en oplossingen vonden, we kregen extra inzicht in de processen, de rol van watermoleculen en verschillen tussen natrium- en chloride-ionen."

Onder hun inzichten:Ionengrootte is belangrijk. De onderzoekers ontdekten dat vanwege de grootte, het grotere chloride-ion (Cl-) voorkomt dat water tijdens het losraken toegang krijgt tot knikplaatsen, beperking van de totale snelheid van het oplossen van natriumchloride in water.

"Je moet een speciaal coördinatensysteem vinden dat die speciale herschikkingen van oplosmiddelen kan onthullen die een opening creëren voor het ion om door de oplosmiddelkooi te glippen en op de knikplaats te vergrendelen, " zei Peters. "We hebben aangetoond dat we in ieder geval voor natriumchloride eindelijk een concreet antwoord kunnen geven."

Deze proof-of-concept-ontwikkeling is het resultaat van de expertise van de Doherty Group met kristallisatieprocessen in combinatie met de expertise van de Peters Group in "zeldzame gebeurtenissen" - relatief zeldzame en kortstondige maar zeer significante verschijnselen (zoals reacties) die de toestand fundamenteel veranderen van het systeem. Met behulp van een methode genaamd transitiepad-sampling, de onderzoekers waren in staat om de gebeurtenissen te begrijpen die leidden tot de overgangstoestand. De strategie en mechanistische inzichten van het werk aan natriumchloride bieden een blauwdruk voor het voorspellen van groeisnelheden in materiaalsynthese, geneesmiddelen en biomineralisatie.