Kristallisering är en mycket grundläggande kemisk process:Skolbarn kan bevittna det med egna ögon. Men forskare hade inte tills nu, kunnat observera denna process på molekylär nivå - det vill säga det ögonblick då molekyler övervinner sina tendenser att flyta individuellt i en flytande lösning och ta plats i det fasta gitteret i en fast kristallstruktur. Forskare vid Weizmann Institute of Science har, för första gången, direkt observerade kristallisationsprocessen på molekylär nivå, validera några senaste teorier om kristallisering, samt visa att om man vet hur kristallen börjar växa, man kan förutsäga slutstrukturen.

Forskningen ägde rum i laboratoriet för professor Ronny Neumann från Weizmann -institutets avdelning för organisk kemi. Neumann förklarar att för att knyta an till varandra, molekylerna måste övervinna en energibarriär:"Den vanliga teorin hade varit att slumpkontakter mellan molekyler leder till bindning, så småningom skapar små kluster som blir kärnor för större kristaller att växa. Men molekylerna, som rör sig slumpmässigt i lösning, måste justeras ordentligt för att kristallisera. Under de senaste åren har forskare börjat tro att denna process kan utgöra en för hög energibarriär. "

Teorier som föreslagits under de senaste decennierna tyder på att om molekylerna skulle samlas i en så kallad tät fas, där de aggregerar till ett sardinliknande tillstånd - nära varandra men oorganiserade - och sedan kristalliseras från detta tillstånd, energibarriären skulle vara lägre. För att testa teorierna, Neumann och doktoranden Roy Schreiber skapade stora, styva molekyler och frös dem på plats i lösning. De placerade sedan den frysta lösningen under en elektronmikroskopstråle som värmde upp blandningen precis tillräckligt för att tillåta lite rörelse, och därmed interaktioner mellan molekylerna. Justering av lösningen genom att lägga till olika joner gjorde det möjligt för forskarna att producera kristallisering med och utan täta faser; för första gången, med hjälp av Dr. Lothar Houben och Sharon Wolf från elektronmikroskopienheten, de kunde observera täta faser som bildades och därefter omvandlades till kristallkärnor.

Medan båda staterna gav kristaller, de experimentella resultaten visade att när täta faser bildas, energibarriären för bildandet av en ordnad, kristallint arrangemang av molekyler är, som teorin förutsade, lägre.

Forskarna fann också att tillväxten från täta faser resulterar i större, mer stabila kristallkärnor. Dessutom upptäckte de att arrangemanget av molekyler i fullvuxna kristaller, som de bestämde genom röntgenkristallografi med hjälp av Dr. Gregory Leitus från Chemical Research Support, var i god överensstämmelse med det i de små grupperna av bara några få molekyler i de ursprungliga kärnorna. "Detta innebär att de krafter och faktorer som bestämmer processen är konstanta under kristallens tillväxt, säger Neumann.

"Vi har verkligen observerat en elementär händelse i kemiens värld, "säger Neumann." Resultaten leder oss också till nya förfrågningar på detta område, tittar på effekterna och betydelsen av täta faser på kemisk reaktivitet. "