Medan kristaller har studerats i århundraden och är allestädes närvarande i det dagliga livet - de finns i våra ben, maten vi äter och batterierna vi använder – forskarna förstår fortfarande inte fullt ut hur kristaller växer eller hur man effektivt tillverkar dem. Som ett resultat, vetenskapliga ansträngningar för att förbättra ett brett utbud av kristallina material, från självläkande biomaterial till solpaneler, har begränsats.

Forskare vid University of Illinois i Chicago har låst upp en del av detta mysterium. Genom att använda datorbaserade simuleringar för att analysera hur atomer och molekyler rör sig i en lösning, UIC-teamet har identifierat en allmän mekanism som styr kristalltillväxt som forskare kan manipulera när de utvecklar nya material.

Specifikt, de fann att när kristallbildande molekyler omges av ett lösningsmedel, som vatten, lösningsmedelsmolekylerna bildar en sköld som de kallar ett solvatiseringsskal. När denna sköld fluktuerar, molekyler kan bryta sig loss och bilda kristaller. De visade också att temperaturen, lösningsmedelstyp och antalet lösningsmedelsmolekyler påverkar alla skalets fluktuation.

Deras resultat rapporteras i tidskriften Proceedings of the National Academy of Sciences .

"För första gången, vi har visat vad som händer när en molekyl lämnar ett lösningsmedel för att bilda en kristall, sa Meenesh Singh, senior författare och biträdande professor i kemiteknik vid UIC College of Engineering. "Under rätt förutsättningar, skölden "dansar" runt och låter molekyler bryta sig loss och integreras i kristallytan. Fluktuationerna i solvatiseringsskalet är viktiga molekylära händelser som förklarar hur kristaller bildas - kunskap om denna mekanism har saknats sedan starten av kristalliseringsforskningen."

Singh sa att förståelsen av denna mekanism kommer att ge forskare större förmåga att styra molekyler för att bilda kristaller för specifik struktur, form och storlek. "Detta kommer att tillåta oss att göra bättre material för en bred klass av produkter som används i det dagliga livet, " han sa.

Några exempel, han sa, är benimplantat för att främja biomineralisering, bättre system för läkemedelstillförsel, stabilare litiumbatterier, och förbättrade halvledare och jordbrukskemikalier.

"Den molekylära insikten från denna studie kommer också att hjälpa till att spara pengar i olika kemiska industrier genom att minska behovet av hit or miss-tekniker i tusentals försök, " sa UIC doktorand Anish Dighe, medförfattare till tidningen. "Med hjälp av denna studie, vi kan nu designa system som kan kristallisera den önskade lösta molekylen utan så många försök."