Forskarna använde lasrar för att avslöja den molekylära strukturen i arbete under kärnbildning, men också för att inducera kärnbildning och observera dess spektrala fingeravtryck. Kredit:© Oscar Urquidi
I gränssnittet mellan kemi och fysik är kristalliseringsprocessen allestädes närvarande i naturen och industrin. Det är grunden för bildandet av snöflingor men också för vissa aktiva ingredienser som används inom farmakologi. För att fenomenet ska uppstå för ett visst ämne måste det först gå igenom ett skede som kallas kärnbildning, under vilket molekylerna organiserar sig och skapar de optimala förutsättningarna för bildandet av kristaller. Även om det har varit svårt att observera pre-nukleation dynamik, har denna nyckelprocess nu avslöjats av ett forskarlag från universitetet i Genève (UNIGE). Forskarna har lyckats visualisera denna process spektroskopiskt i realtid och i mikrometrisk skala, vilket banar väg för design av säkrare och mer stabila aktiva substanser. Dessa resultat finns i Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS ).
Kristallisering är en kemisk och fysikalisk process som används inom många områden, från läkemedelsindustrin till livsmedelsförädling. Det används för att isolera en gasformig eller flytande substans i form av kristaller. Detta fenomen är dock inte unikt för industrin; den är allestädes närvarande i naturen och kan ses till exempel i snöflingor, koraller eller njurstenar.
För att kristaller ska bildas från ämnen måste de först gå igenom ett avgörande skede som kallas kärnbildning. Det är under denna första fas som molekylerna börjar ordna sig för att bilda "kärnor", stabila kluster av molekyler, vilket leder till utveckling och tillväxt av kristaller. Denna process sker stokastiskt, vilket innebär att det inte är förutsägbart när och var en kärna bildas. "Hittills har forskare kämpat för att visualisera detta första steg på molekylär nivå. Den mikroskopiska bilden av kristallkärnbildning har varit under intensiv debatt. Nyligen genomförda studier tyder på att molekyler verkar bilda någon oordnad organisation före bildandet av kärnor. Hur gör det då. den kristallina ordningen kommer från dem? Det är en stor fråga, förklarar Takuji Adachi, biträdande professor vid institutionen för fysikalisk kemi vid UNIGE-vetenskapliga fakulteten.
Fånga en kristallkärnbildningshändelse åt gången
Takuji Adachis team, med stöd av två forskare från Institutionen för kemi vid McGill University (Nathalie LeMessurier och Lena Simine), har tagit ett avgörande steg genom att lyckas observera kärnbildningsprocessen för en enskild kristall i mikrometrisk skala genom optisk spektroskopi. "Vi har lyckats visa och visualisera organisationen och bildandet av molekylära aggregat som föregår kristallisering", förklarar Johanna Brazard, forskare vid institutionen för fysikalisk kemi och medförfattare till forskningen.
För att observera detta fenomen kombinerade forskarna Raman-mikrospektroskopi - en teknik baserad på ljusets interaktion med materia för att få information om dess sammansättning - och optisk fångst. "Vi använde lasrar för att framhäva den molekylära strukturen under kärnbildningen men också för att inducera kärnbildningsfenomenet och på så sätt kunna observera det och registrera dess spektrala avtryck", förklarar Oscar Urquidi, doktorand vid institutionen för fysikalisk kemi och co-first. författare till denna forskning. Modellsubstansen som valdes för att genomföra dessa experiment var glycin, en aminosyra som är en viktig byggsten i livet, löst i vatten.
"Vårt arbete har avslöjat ett stadium av kristallisation som tidigare var osynligt, säger Takuji Adachi. Att visualisera mer exakt och bättre förstå vad som händer på molekylär nivå är mycket användbart för att styra vissa manipulationer mer effektivt." I synnerhet kan denna upptäckt göra det lättare att få renare och mer stabila kristallstrukturer för vissa ämnen som används vid utformningen av många läkemedel eller material. + Utforska vidare
