För en miljon år sedan hade den äldsta kända arten som gick upprätt som en människa, Homo erectus, en människoliknande fascination av kristaller. Historiker kan till och med slå fast de möjliga orsakerna – kristaller såg inte ut som någonting på den tiden – träd, dalar, berg. Kristaller var ett material att begrunda, en fascinerande avledning för sinnet.
Än i dag fortsätter den mänskliga sysselsättningen med kristallernas magi att fylla sinnesögat hos forskare som har utvecklat sätt att använda kristaller för allt från malariakurer till solceller och halvledare, katalysatorer och optiska element. Under årens lopp har kristaller blivit avgörande beståndsdelar i den teknik som möjliggör modern civilisation.
University of Houston-forskaren Peter Vekilov och Frank Worley professor i kemi- och biomolekylär teknik, har publicerat i PNAS ett svar på hur kristaller bildas och hur molekyler blir en del av dem.
"I decennier har kristalltillväxtforskare drömt om att klargöra den kemiska reaktionen mellan inkommande molekyler och de unika platserna på en kristallyta som accepterar dem, kinks," sa Vekilov. "Mekanismen för den reaktionen, det vill säga den karakteristiska tidsskalan och längdskalan, möjliga mellanprodukter och deras stabiliteter, har förblivit svårfångade och föremål för spekulationer i över 60 år."
Det främsta hindret för djupare förståelse har varit bristen på data om hur molekyler går med, kopplat till den komplicerade processen att flytta från lösningen till där de växer.
För att reda ut den kemiska reaktionen mellan en molekyl som löser sig i vätska (löst ämne) och en kink, mobiliserade Vekilov två transformationsstrategier, en med fullständiga organiska par och den andra med fyra lösningsmedel med distinkta strukturer och funktioner. Genom att arbeta med molekylerna kombinerade han toppmoderna experimentella tekniker inklusive tidsupplöst in situ atomkraftsmikroskopi vid nära molekylär upplösning, röntgendiffraktion, absorptionsspektroskopi och svepelektronmikroskopi.
Det var då Vekilov gjorde en revolutionerande upptäckt:Inkorporering i kinks kan ske i två steg dividerat med ett mellantillstånd och stabiliteten i detta mellantillstånd är nyckeln till hur kristaller växer. Det avgör i princip hur snabbt eller långsamt kristallerna bildas eftersom det påverkar hur lätt saker och ting kan gå med under processen
Även om de nya upptäckterna inte går tillbaka till Homo sapiens tid, löser de en 40-årig gåta för Vekilov.
"Föreställningarna om ett mellantillstånd och dess avgörande roll i kristalltillväxten motbevisar och ersätter den dominerande idén på området, som tagits upp av A.A. Chernov, min doktorsrådgivare, att aktiveringsbarriären för tillväxt bestäms av lösningsmedlets lösningsmedel. interaktioner i lösningen bulk," sade han.
Det nya paradigmet med tvåstegsinkorporering, förmedlat av ett mellantillstånd, kan hjälpa till att förstå hur små delar i en vätska kan påverka de detaljerade formerna av kristaller som finns i naturen.
"Lika viktigt är att detta paradigm kommer att vägleda sökandet efter lösningsmedel och tillsatser som stabiliserar det mellanliggande tillståndet för att bromsa tillväxten av till exempel oönskade polymorfer," sa Vekilov.
Vekilovs team inkluderar Jeremy Palmer, Ernest J och Barbara M Henley Docent i kemi och biomolekylär ingenjörskonst; tidigare doktorander Rajshree Chakrabarti och Lakshmanji Verma; och Viktor G. Hadjiev, Texas Center for Superconductivity vid UH.
Mer information: Rajshree Chakrabarti et al, De elementära reaktionerna för inkorporering i kristaller, Proceedings of the National Academy of Sciences (2024). DOI:10.1073/pnas.2320201121
Tillhandahålls av University of Houston
