Wat hebben wolken, televisies, geneesmiddelen en zelfs het vuil onder onze voeten met elkaar gemeen? Ze hebben allemaal of gebruiken op de een of andere manier kristallen. Kristallen zijn meer dan alleen mooie edelstenen. Wolken ontstaan ​​wanneer waterdamp condenseert tot ijskristallen in de atmosfeer. LCD-schermen worden gebruikt in een verscheidenheid aan elektronica, van televisies tot instrumentenpanelen. Kristallisatie is een belangrijke stap voor het ontdekken en zuiveren van geneesmiddelen. Kristallen vormen ook gesteenten en andere mineralen. Hun cruciale rol in het milieu is een focus van materiaalwetenschap en gezondheidswetenschappelijk onderzoek.

Wetenschappers moeten nog volledig begrijpen hoe kristallisatie plaatsvindt, maar het belang van oppervlakken bij het bevorderen van het proces is al lang erkend. Onderzoek van Pacific Northwest National Laboratory (PNNL), de University of Washington (UW) en Durham University werpt nieuw licht op hoe kristallen zich vormen op oppervlakken. Hun resultaten zijn gepubliceerd in Science Advances .

Eerdere studies over kristallisatie leidden ertoe dat wetenschappers de klassieke kiemvormingstheorie vormden - de overheersende verklaring voor waarom kristallen zich beginnen te vormen of kiemen. Wanneer kristallen kiemen, beginnen ze als zeer kleine kortstondige clusters van slechts een paar atomen. Door hun kleine formaat zijn de clusters extreem moeilijk te detecteren. Wetenschappers zijn erin geslaagd om slechts enkele afbeeldingen van dergelijke processen te verzamelen.

"Nieuwe technologieën maken het mogelijk om het kristallisatieproces te visualiseren als nooit tevoren", zegt PNNL Physical Sciences Division Chemist Ben Legg. Hij werkte samen met PNNL Battelle Fellow en UW Affiliate Professor James De Yoreo om precies dat te doen. Met de hulp van professor Kislon Voitchovsky van de Durham University in Engeland, gebruikten ze een techniek genaamd atoomkrachtmicroscopie om de kiemvorming van een aluminiumhydroxide-mineraal op een mica-oppervlak in water te bekijken.

Mica is een veel voorkomend mineraal dat in alles voorkomt, van gipsplaat tot cosmetica. Het biedt vaak een oppervlak voor andere mineralen om te kiemen en te groeien. Voor deze studie was het belangrijkste kenmerk echter het extreem vlakke oppervlak, waardoor onderzoekers de clusters met weinig atomen konden detecteren terwijl ze zich op het mica vormden.

Wat Legg en De Yoreo waarnamen, was een kristallisatiepatroon dat vanuit de klassieke theorie niet werd verwacht. In plaats van een zeldzame gebeurtenis waarbij een cluster van atomen een kritieke grootte bereikt en vervolgens over het oppervlak groeit, zagen ze duizenden fluctuerende clusters die samensmolten tot een onverwacht patroon met gaten die bleven bestaan ​​tussen kristallijne 'eilanden'.

Na zorgvuldige analyse van de resultaten concludeerden de onderzoekers dat hoewel bepaalde aspecten van de huidige theorie waar bleven, hun systeem uiteindelijk een niet-klassiek pad volgde. Ze schrijven dit toe aan elektrostatische krachten van ladingen op het mica-oppervlak. Omdat veel soorten materialen geladen oppervlakken in water vormen, veronderstellen de onderzoekers dat ze een wijdverbreid fenomeen hebben waargenomen en zijn ze opgewonden om te zoeken naar andere systemen waar dit niet-klassieke proces zou kunnen plaatsvinden.

"Aannames uit de klassieke nucleatietheorie hebben verstrekkende implicaties in disciplines variërend van materiaalwetenschap tot klimaatvoorspelling", zegt De Yoreo. "De resultaten van onze experimenten kunnen helpen om nauwkeurigere simulaties van dergelijke systemen te produceren." + Verder verkennen

Op orde brengen:nieuwe studie onthult het belang van vloeibare structurele ordening bij kristallisatie