Los investigadores están descubriendo una nueva vía para formar cristales complejos

Cuando los materiales alcanzan escalas extremadamente pequeñas, comienzan a suceder cosas extrañas. Uno de estos fenómenos es la formación de cristales intermedios.

Aunque están formados por cristales individuales separados, los cristales intermedios se agrupan para formar una estructura compacta más grande que se comporta como pura, Un cristal. Sin embargo, estos procesos ocurren a escalas tan pequeñas que el ojo humano no puede verlos y monitorearlos es extremadamente difícil.

Debido a estos desafíos, los científicos no han podido confirmar exactamente cómo se forman los mescristales.

Una nueva investigación realizada por el equipo del Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico (PNNL) utilizó técnicas avanzadas de microscopía electrónica de transmisión (TEM) para ver la formación de cristales medianos en la solución en tiempo real. Lo que vieron va en contra de la sabiduría convencional y sus conocimientos podrían algún día ayudar a los científicos con el diseño de materiales. Almacen de energia Y comprenda cómo se forman los minerales en el suelo.

En lugar de núcleos de cristal individuales, que es el paso que comienza la formación de cristales, y luego se agrupan aleatoriamente en cristales intermedios en dos pasos no relacionados, los investigadores señalan que la nucleación y la unión estaban estrechamente relacionadas en la formación de estas estructuras muy regulares. Los investigadores informan de su trabajo en la edición del 18 de febrero de 2021 de Naturaleza templada.

«Nuestros hallazgos definen una nueva e importante vía para la cristalización por asociación de partículas y resuelven preguntas clave sobre la formación de cristales intermedios», dijo el científico de materiales de PNNL y de la Universidad de Washington, Guomin Zhu. Formó parte del equipo de investigación dirigido por Jim De Yoreo, un científico de materiales de PNNL y codirector del Instituto de Física, Química y Tecnología de Materiales del Northwest Institute. «Sospechamos que se trata de un fenómeno generalizado que tiene importantes implicaciones tanto para la composición de los nanomateriales diseñados como para la comprensión de la mineralización natural», añadió Chu.

Ver la cristalización en tiempo real

El proyecto tardó años en implementarse y requirió resolver un problema importante. Para los experimentos de microscopía, el equipo científico eligió un sistema modelo que incluye hematita, un compuesto de hierro que generalmente se encuentra en la corteza terrestre, y oxalato, un compuesto naturalmente abundante en el suelo.

Visualizaron el proceso utilizando TEM in situ, lo que brinda a los investigadores la capacidad de ver la cristalización en una escala nanométrica a medida que ocurre. Combinaron este método en tiempo real con TEM «congelar y mirar» que les permitió seguir un cristal individual en varios puntos durante el crecimiento. Los cálculos teóricos ayudaron a completar la imagen, lo que permitió al equipo de PNNL sintetizar cómo crecieron los cristales medianos.

Los investigadores generalmente realizan la mayoría de los experimentos TEM in situ en Temperatura ambiente Sin embargo, para simplificar la configuración experimental y reducir la posibilidad de dañar el delicado instrumento, la formación del cristal medio lo suficientemente rápido para la observación se produce alrededor de 80 ° C.

«El equipo adicional utilizado para calentar las muestras hizo que los experimentos fueran muy difíciles, pero sabíamos que los datos serían clave para comprender cómo se forman los cristales intermedios», dijo Chu.

Una vez calentados, los nuevos nanocristales de hematita facilitan que se adhieran rápidamente entre sí, lo que da como resultado, en promedio, cristales medianos acabados de aproximadamente el mismo tamaño y forma.

Mescristales en la naturaleza

La clave química para esta unión rápida y confiable son las moléculas de oxalato presentes en la solución. Después de formar los primeros cristales pequeños, los aditivos de oxalato ayudan a establecer un gradiente químico en la interfaz del líquido y el cristal en desarrollo. Más componentes químicos necesarios para el núcleo de las partículas permanecen cerca de los cristales, lo que aumenta enormemente la posibilidad de que se formen nuevas partículas cerca de las partículas existentes.

Si bien esta vía de crecimiento de cristales se observa en condiciones controladas a escalas muy pequeñas, es probable que también ocurra en sistemas naturales, según los investigadores. Algunos depósitos minerales, incluidos los de hematita australiana, contienen cristales medianos. Dada la abundancia natural de oxalatos y la observación del equipo de PNNL de que la hematita puede convertirse en cristales medianos a temperaturas tan bajas como 40 ° C, parece plausible que esta vía de formación haya ocurrido en la naturaleza.

Dado que los cristales intermedios se encuentran en toda la naturaleza, los resultados se pueden aplicar para comprender el ciclo de los nutrientes en el medio ambiente, entre otras aplicaciones. Además, el camino para crear estructuras complejas semi-uniformes requiere una comprensión de cómo funcionan los métodos para formar tales materiales y cómo controlarlos. Así, este trabajo, con el apoyo del Departamento de Energía de EE. UU., La Oficina de Ciencias, la Oficina de Ciencias Energéticas Básicas y el Departamento de Ciencias Químicas, Ciencias de la Tierra y Ciencias Biológicas, abre nuevas posibilidades para la creación de cristales medianos o intermedios como cristales. materiales.