Kristallisatie is de assemblage van atomen of moleculen tot sterk geordende vaste kristallen, die voorkomt in natuurlijke, biologisch, en kunstmatige systemen. Echter, kristallisatie in besloten ruimtes, zoals de vorming van de eiwitschil van een virus, wordt slecht begrepen. Onderzoekers proberen de structuur van het uiteindelijke kristal gevormd in een besloten ruimte te controleren om kristallen met gewenste eigenschappen te verkrijgen, wat een grondige kennis van het kristallisatieproces vereist.

Een onderzoeksgroep van het Instituut voor Industriële Wetenschappen, de Universiteit van Tokio en de Fudan Universiteit, onder leiding van Hajime Tanaka en Peng Tan, gebruikte een druppel colloïde - een dispersie van vloeibare deeltjes in een andere vloeistof, zoals melk - als een model voor afzonderlijke atomen of moleculen in een bol. In tegenstelling tot enkele atomen of moleculen, die te klein zijn om gemakkelijk waar te nemen, de colloïde deeltjes waren groot genoeg om te visualiseren met behulp van een microscoop. Hierdoor konden de onderzoekers de volgorde van afzonderlijke deeltjes in realtime volgen tijdens de kristallisatie.

"We visualiseerden het organisatieproces van colloïde deeltjes in talloze druppeltjes onder verschillende omstandigheden om een ​​beeld te krijgen van het kristallisatieproces in een bol, " zegt Tan.

Op basis van hun observaties, het team stelde voor dat het kristallisatieproces drie fasen omvatte:initiële bestelling op de oppervlakte "huid" van de druppel, kiemvorming en groei in de kern van de druppel, en dan langzame rijping van de hele structuur. Eerst, een huid die bestaat uit een enkele laag geordende colloïde deeltjes die zich snel op het druppeloppervlak vormen. Volgende, kristallisatie vond plaats in de kern van de druppel, ver van de gekristalliseerde huid. De concurrentie tussen kristallisatie in deze twee regio's controleerde de structuur van het uiteindelijke kristal.

De onderzoekers ontdekten dat de "zachte" (langeafstands) interacties tussen de negatief geladen colloïdedeeltjes hun organisatie en de resulterende kristalstructuur beïnvloedden. Deze zachte interacties worden gedomineerd door kinetiek, dat is, de interacties die het snelst ontstaan, in plaats van degenen die de minste energie gebruiken om de thermodynamisch stabiele structuur te geven, wat illustreert dat kinetiek een belangrijke rol speelt bij kristallisatie in een besloten ruimte. Het was al bekend dat de thermodynamica sterk bijdraagt ​​aan de uiteindelijke structuur van kristallen. De bevindingen van het team bevestigden dat kinetiek ook integraal is, het vergroten van onze kennis van kristallisatie in besloten ruimtes.

"Dit onderzoek verdiept ons begrip van het kristallisatieproces in geometrisch beperkte systemen, vooraanstaande onderzoekers een stap dichter bij het bereiken van gecontroleerde groei van kristallen op zeer kleine schaal, " legt Tanaka uit.

Gedetailleerde kennis van het kristalvormingsproces in besloten systemen kan kristallen met ontworpen structuren mogelijk maken, zoals nanodeeltjes voor specifieke elektronicatoepassingen, te verkrijgen, waardoor onderzoekers meer controle krijgen over de structuur en dus over de eigenschappen van waardevolle materialen.

Het artikel "Morfologieselectiekinetiek van kristallisatie in een bol" is gepubliceerd in Natuurfysica .