Wetenschappers vermoeden al lang dat de manier waarop materialen zich op nanoschaal gedragen - dat wil zeggen wanneer deeltjes afmetingen hebben van ongeveer 1-100 nanometer - anders is dan hoe ze zich op elke andere schaal gedragen. Een nieuwe krant in het tijdschrift Chemische Wetenschappen levert concreet bewijs dat dit het geval is.

De wetten van de thermodynamica bepalen het gedrag van materialen in de macrowereld, terwijl de kwantummechanica het gedrag van deeltjes aan het andere uiterste beschrijft, in de wereld van enkele atomen en elektronen.

Maar in het midden, in de orde van ongeveer 10-100, 000 moleculen, er is iets anders aan de hand. Omdat het zo'n kleine schaal is, de deeltjes hebben een echt grote oppervlakte-tot-volume verhouding. Dit betekent dat de energetische aspecten van wat er aan de oppervlakte gebeurt erg belangrijk worden, net als op atomaire schaal, waar kwantummechanica vaak wordt toegepast.

Klassieke thermodynamica valt uiteen. Maar omdat er zoveel deeltjes zijn, en er zijn veel interacties tussen hen, het kwantummodel werkt ook niet helemaal.

En omdat er zoveel deeltjes zijn die verschillende dingen tegelijkertijd doen, het is moeilijk om al hun interacties te simuleren met een computer. Het is ook moeilijk om veel experimentele informatie te verzamelen, omdat we nog niet de capaciteit hebben ontwikkeld om gedrag op zo'n kleine schaal te meten.

Dit raadsel wordt bijzonder acuut als we kristallisatie proberen te begrijpen, het proces waarbij deeltjes, willekeurig verdeeld in een oplossing, kan sterk geordende kristalstructuren vormen, onder de juiste voorwaarden.

Chemici begrijpen niet echt hoe dit werkt. Hoe werken ongeveer 1018 moleculen, willekeurig in oplossing rondlopen, samenkomen om een ​​micro- tot millimetergroot besteld kristal te vormen? Het meest opmerkelijke is misschien wel het feit dat in de meeste gevallen elk kristal elke keer dat het kristal wordt gevormd op dezelfde manier wordt geordend.

Echter, het blijkt dat verschillende omstandigheden soms verschillende kristalstructuren kunnen opleveren. Deze staan ​​bekend als polymorfen, en ze zijn belangrijk in veel takken van wetenschap, waaronder de geneeskunde - een medicijn kan zich anders gedragen in het lichaam, afhankelijk van in welke polymorf het is gekristalliseerd.

Wat we tot nu toe weten over het proces, althans volgens een algemeen aanvaard model, is dat deeltjes in oplossing kunnen samenkomen om een ​​kern te vormen, en zodra een kritische massa is bereikt, zien we kristalgroei. De structuur van de kern bepaalt de structuur van het uiteindelijke kristal, dat is, welke polymorf we krijgen.

Wat we tot nu toe niet wisten, is wat in de eerste plaats de structuur van de kern bepaalt, en dat gebeurt op nanoschaal.

In deze krant, de auteurs hebben mechanochemie gebruikt - dat wil zeggen malen en malen - om deeltjes van nanogrootte te verkrijgen, klein genoeg dat oppervlakte-effecten significant worden. Met andere woorden, de chemie van de nanowereld - welke structuren zijn het meest stabiel op deze schaal, en welke omstandigheden van invloed zijn op hun stabiliteit, is voor het eerst bestudeerd met zorgvuldig gecontroleerde experimenten.

En door de freescondities te veranderen, bijvoorbeeld door een kleine hoeveelheid oplosmiddel toe te voegen, de auteurs hebben kunnen controleren welke polymorf het meest stabiel is. Professor Jeremy Sanders van de afdeling Scheikunde van de Universiteit van Cambridge, wie leidde het werk, zei:"Het is opwindend dat deze eenvoudige experimenten, als het met grote zorg wordt uitgevoerd, kan onverwacht een nieuwe deur openen naar het begrijpen van de fundamentele vraag hoe oppervlakte-effecten de stabiliteit van nanokristallen kunnen beheersen."

Joël Bernstein, Wereldwijd Distinguished Professor of Chemistry aan de NYU Abu Dhabi, en een expert in kristalgroei en structuur, legt uit:"De auteurs hebben op elegante wijze laten zien hoe je experimenteel situaties kunt meten en simuleren waarin je twee mogelijke kernen hebt, zeg A en B, en stel vast dat A stabieler is. En ze kunnen ook laten zien welke voorwaarden nodig zijn om deze stabiliteiten om te keren, en dat B stabieler wordt dan A."

"Dit is echt nieuws, omdat je die voorspellingen niet kunt doen met klassieke thermodynamica, en dit is ook niet het kwantumeffect. Maar door deze experimenten te doen, de auteurs beginnen inzicht te krijgen in hoe de dingen zich gedragen op dit regime van grootte, en hoe we het kunnen voorspellen en dus beheersen. Het elegante van het experiment is dat ze selectief en reversibel A en B hebben kunnen vormen."

Een van de sleutelwoorden van chemische synthese is 'controle'. Chemici proberen altijd de eigenschappen van materialen te controleren, of dat nu is om een ​​betere kleurstof of plastic te maken, of een medicijn dat effectiever is in het lichaam. Dus als we kunnen leren hoe moleculen in een oplossing samenkomen om vaste stoffen te vormen, kunnen we veel winnen. Dit werk is een belangrijke eerste stap om die controle te krijgen.