Silkeslen choklad, en bättre medicinsk drog, eller solpaneler kräver alla samma sak:precis rätt kristaller som utgör materialet. Nu, forskare som försöker förstå de vägar kristaller tar när de bildar sig har kunnat påverka den vägen genom att modifiera startingrediensen.

Insikterna från resultaten, rapporterade 17 april in Naturmaterial , skulle så småningom kunna hjälpa forskare att bättre kontrollera utformningen av en mängd olika produkter för energi eller medicinsk teknik.

"Fynden tar upp en pågående debatt om kristallisationsvägar, " sa materialforskaren Jim De Yoreo vid Department of Energy's Pacific Northwest National Laboratory och University of Washington. "De antyder att du kan kontrollera de olika stadierna av materialsammansättningen genom att noggrant välja strukturen på dina startmolekyler."

Från floppy till stel

En av de enklaste kristallerna, diamanter består av en atom - kol. Men i den levande världen, kristaller, som de som bildas av kakaosmör i choklad eller dåligt formade som orsakar sicklecellanemi, är gjorda av molekyler som är långa och floppiga och innehåller en lång väldefinierad sekvens av många atomer. De kan kristallisera på en mängd olika sätt, men bara ett sätt är bäst. Inom läkemedel, skillnaden kan betyda ett läkemedel som fungerar jämfört med ett som inte gör det.

Kemister har ännu inte tillräckligt med kontroll över kristallisering för att säkerställa den bästa formen, dels för att kemister inte är säkra på hur de tidigaste stegen i kristallisering sker. En speciell debatt har fokuserat på huruvida komplexa molekyler kan monteras direkt, med en molekyl fäst vid en annan, som att lägga till ett spelkort i taget till en kortlek. De kallar detta en enstegsprocess, de matematiska regler som forskarna sedan länge har förstått.

Den andra sidan av debatten hävdar att kristaller kräver två steg för att bildas. Experiment tyder på att de första molekylerna först bildar en oordnad klump och sedan, från den gruppen, börja ordna om till en kristall, som om korten måste blandas i en hög först innan de kan bilda en kortlek. De Yoreo och hans kollegor ville avgöra om kristallisering alltid krävde det oordnade steget, varom icke, varför inte.

Klump, knäpp och...

Att göra så, forskarna bildade kristaller från en något förenklad version av de sekvensdefinierade molekylerna som finns i naturen, en version som de kallar en peptoid. Peptoiden var inte komplicerad - bara en sträng av två upprepade kemiska subenheter (tänk "ABABAB") - men komplex eftersom den var ett dussin subenheter lång. Baserat på dess symmetriska kemiska natur, teamet förväntade sig att flera molekyler skulle komma samman till en större struktur, som om de vore legoklossar som knäpptes ihop.

I en andra serie experiment, de ville testa hur en lite mer komplicerad molekyl sattes ihop. Så, laget lade till en molekyl på den initiala ABABAB...-sekvensen som stack ut som en svans. Svansarna lockade varandra, och teamet förväntade sig att deras förening skulle få de nya molekylerna att klumpa ihop sig. Men de var inte säkra på vad som skulle hända efteråt.

Forskarna lägger peptoidmolekylerna i lösningar för att låta dem kristallisera. Sedan använde teamet en mängd olika analytiska tekniker för att se vilka former peptoiderna gjorde och hur snabbt. Det visar sig att de två peptoiderna bildade kristaller på väldigt olika sätt.

En svans av två steg

Som forskarna mest förväntade sig, den enklare peptoiden bildade initiala kristaller några nanometer stora som blev längre och högre när fler av peptoidmolekylerna snäppte på plats. Den enkla peptoiden följde alla regler för en enstegs kristallisationsprocess.

Men att trycka in svansen i blandningen störde lugnet, vilket fick en komplex uppsättning händelser att äga rum innan kristallerna dök upp. Övergripande, teamet visade att denna mer komplicerade peptoid först klumpade ihop sig till små kluster osedda med de enklare molekylerna.

Några av dessa kluster slog sig ner på den tillgängliga ytan, där de satt oföränderliga innan de plötsligt omvandlades till kristaller och så småningom växte till samma kristaller sett med den enkla peptoiden. Detta beteende var något nytt och krävde en annan matematisk modell för att beskriva det, enligt forskarna. Att förstå de nya reglerna gör det möjligt för forskare att bestämma det bästa sättet att kristallisera molekyler.

"Vi förväntade oss inte att en så liten förändring gör att peptoiderna beter sig så här, ", sa De Yoreo. "Resultaten får oss att tänka på systemet på ett nytt sätt, som vi tror kommer att leda till mer prediktiv kontroll över design och montering av biomimetiska material."