La formación de cristales es uno de los procesos más comunes en los que probablemente puedas pensar. Cada vez que congelas agua en cubitos de hielo, por ejemplo, estás creando estructuras cristalinas. Incluso hay un experimento divertido que puedes hacer para cultivar cristales de sal, con nada más que sal de mesa y agua.
Pero a nivel atómico, tenemos un conocimiento pobre de cómo se forman los cristales, particularmente la nucleación, el primer paso en el proceso de cristalización. Eso es en parte porque es un proceso dinámico que ocurre en escalas tan pequeñas, y en parte porque es algo aleatorio, lo que dificulta su estudio.
Eso es lo que hace que el trabajo de un equipo de investigadores dirigido por el químico Takayuki Nakamuro de la Universidad de Tokio en Japón sea tan emocionante. Utilizando una técnica especial en desarrollo desde 2005, han filmado la cristalización de la sal a escala atómica por primera vez.
Dado que la cristalización se utiliza para una amplia cantidad de aplicaciones, desde la medicina hasta la fabricación industrial, este es un paso hacia un mejor control de la forma en que creamos los materiales, dijeron los investigadores.
La técnica se llama microscopía electrónica en tiempo real de resolución atómica de una sola molécula, o SMART-EM, que se utiliza para estudiar moléculas y agregados moleculares. Combinándolo con un método de preparación de muestras desarrollado recientemente, el equipo capturó la formación misma de los cristales de sal.
(La Universidad de Tokio)
“Uno de nuestros estudiantes de maestría, Masaya Sakakibara, usó SMART-EM para estudiar el comportamiento del cloruro de sodio (NaCl) – sal”. Nakamuro dijo.
“Para mantener las muestras en su lugar, utilizamos nanocuernos de carbono de un átomo de espesor, uno de nuestros inventos anteriores. Con los impresionantes videos que capturó Sakakibara, inmediatamente notamos la oportunidad de estudiar los aspectos estructurales y estadísticos de la nucleación de cristales con un detalle sin precedentes”.
A una velocidad de 25 cuadros por segundo, el equipo registró como el agua se evaporó de una solución de cloruro de sodio. Del caos líquido, inducido por la forma de un nanocuerno de carbono vibrante que suprime la difusión molecular, surgió el orden a medida que emergían decenas de moléculas de sal y se organizaban en cristales en forma de cubo.
Estos agregados de precristalización nunca se habían observado o caracterizado antes, dijeron los investigadores.
Nueve veces los investigadores observaron el proceso, y nueve veces las moléculas se organizaron en un grupo que fluctuaba entre estados sin rasgos distintivos y semiordenados antes de formarse repentinamente en un cristal: cuatro átomos de ancho por seis átomos de largo. Estos estados, señaló el equipo, son extremadamente diferentes de los cristales reales.
También notaron un patrón estadístico en la frecuencia con la que los cristales se formaron, crecieron y se contrajeron. Descubrieron que durante cada una de las nueve nucleaciones, el tiempo del proceso de nucleación seguía aproximadamente un distribución normal, con un tiempo medio de 5,07 segundos; esto se había teorizado, pero esta es la primera vez que se ha verificado experimentalmente.
En general, sus resultados mostraron que el tamaño del ensamblaje molecular y su dinámica estructural juegan un papel en el proceso de nucleación. Entendiendo esto, es posible controlar con precisión el proceso de nucleación controlando el espacio en el que ocurre. Incluso podían controlar el tamaño y la forma del cristal.
El siguiente paso en la investigación será intentar estudiar una cristalización más compleja, con aplicaciones prácticas más amplias.
“La sal es solo nuestra primera sustancia modelo para probar los fundamentos de los eventos de nucleación”, dijo el químico Eiichi Nakamura de la Universidad de Tokio.
“La sal solo cristaliza de una manera. Pero otras moléculas, como el carbono, pueden cristalizar de múltiples formas, lo que lleva al grafito o al diamante. Esto se llama polimorfismo y nadie ha visto las primeras etapas de la nucleación que conduce a él. Espero nuestro estudio proporciona el primer paso para comprender el mecanismo del polimorfismo “.
La investigación ha sido publicada en el Revista de la Sociedad Química Estadounidense.
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