Het kweken van kristallen is een beetje makkelijker geworden dankzij het werk van een internationaal team van Virginia Tech, Harvard universiteit, en AMOLF, beheerd door de Stichting voor Fundamenteel Onderzoek der Materie Instituut AMOLF) in Nederland.

Het team omvatte Ling Li, assistent-professor werktuigbouwkunde aan het College of Engineering.

Het werk van de groep verscheen onlangs in het tijdschrift Proceedings van de National Academy of Sciences ( PNAS ) met Li als eerste auteur. Onderzoek naar gecontroleerde nucleatie en groei van kristallen zal inzichten verschaffen voor begrip, nabootsen, en uiteindelijk het uitbreiden van de mineralisatiestrategieën van de natuur voor het ontwikkelen van functionele microscopische structuren.

De groei van kristallen is een belangrijk onderdeel geweest van het proberen om biologische mineraalvorming na te bootsen als gebiomineraliseerde structuren in de natuur, zoals schelpen en botten, die veel duurzamer en geavanceerder zijn dan die welke tegenwoordig synthetisch zijn gemaakt. Met behulp van een van de twee regelparameters, oververzadiging of mismatch van het kernrooster, onderzoekers konden de kiemvorming en groei van op carbonaat gebaseerde kristallen controleren.

"Ons onderzoek heeft met succes zowel lokale oververzadiging als roostermismatch gecombineerd om kristalkiemvorming effectiever te bevorderen, " zei Li. "Door controle over beide parameters aan te tonen, kunnen we de positionering en groeirichting van kristallijne verbindingen op specifieke substraten sturen."

Substraat / kernrooster mismatch verwijst naar het verschil in kristaluitlijning tussen het groeiende kristal op een bepaald substraat, terwijl lokale oververzadiging aangeeft dat de concentratie van het opgeloste materiaal rond een groeiende kristalstructuur ondergedompeld in oplosmiddel groter is dan de oplosbaarheidslimiet.

"De motivatie van dit werk is om te begrijpen hoe biologische gemineraliseerde structuren ontstaan ​​- zoals schelpen, " zei Li. "Een zeeschelp is voornamelijk gemaakt van krijt, die duidelijk broos en zwak is, maar de natuur organiseert de structuur op zo'n manier dat ze erg sterk wordt."

De samenwerkende onderzoeksgroep werkt aan het verklaren van de belangrijkste structurele basis van de mechanische eigenschappen en het begrijpen van hun vormingsroutes voor de ontwikkeling van bio-geïnspireerde structurele materialen in de toekomst.

Li's deel van het project richt zich op de grensvlakstructuren tussen onderliggend substraat en overgroeide kristallen en hoe structuren onder verschillende omstandigheden anders kunnen groeien.

Met behulp van een voorbeeld van drie verschillende kristallijne structuren van calciumcarbonaat (de meest voorkomende biomineralen in de natuur) als substraten, het team stelde vast dat door de locatie van de kristallisatiereactie die plaatsvindt in een oplosmiddel te wijzigen, ze kunnen zowel de oververzadiging als de mismatch van het substraat/kernrooster beïnvloeden en op die manier, kiemen en sturen de groei van de kristallen in een specifieke locatie en richting.

"Door te proberen te begrijpen hoe deze structuren zijn georganiseerd, we kunnen proberen de natuur na te bootsen met synthetische materialen en de mechanische eigenschappen te verbeteren, " zei Li.

Een van de volgende stappen in het onderzoek is dat Li dezelfde groep leidt terwijl ze observeren hoe de kristallen zich vormen onder een röntgenstraal die het hele groeiproces zal registreren.

"We willen kijken hoe kristallen groeien met een resolutie van nanometer, om meer inzicht te verschaffen in hoe de groeiparameters de morfologie van de kristallen bepalen, en misschien meer inzicht in hoe biologische systemen werken om de morfologie te beheersen, wat uiterst belangrijk is in termen van hun eigenschappen."