Från Moder Natur till våra måste-ha enheter, vi är omgivna av kristaller. Dessa artighet av den förra, som is och snö, kan bildas spontant och symmetriskt. Men de kiselbaserade eller galliumnitridkristallerna som finns i lysdioder och annan elektronik kräver lite coaxing för att uppnå sina ideala former och anpassningar.

På UC Santa Barbara, forskare har nu låst upp ytterligare en bit av det teoretiska pusslet som styr tillväxten av kristaller - en utveckling som kan spara tid och energi i de många processer som kräver kristallbildning.

"Sättet som de flesta industriella processer är utformade idag är genom att göra ett uttömmande stort antal experiment för att ta reda på hur kristaller växer och i vilken takt de växer under olika förhållanden, "sade kemiingenjören UCSB Michael Doherty, en författare till ett papper som visas i Förfaranden från National Academy of Sciences . Snöflingor, till exempel, bildas annorlunda när de faller, beroende på varierande förhållanden som temperatur och luftfuktighet, därav den utbredda tron ​​att inga två är lika. Efter att ha bestämt de optimala förhållandena för tillväxten av den valda kristallen, Doherty -tillagd utrustning måste utformas och kalibreras för att ge en konsekvent växande miljö.

Dock, genom att samla decennier av expertis, Doherty, tillsammans med UCSB-kollegan Baron Peters och tidigare doktorand Mark Joswiak (nu vid Dow Chemical) har utvecklat en beräkningsmetod för att hjälpa till att förutsäga tillväxthastigheter för jonkristaller under olika omständigheter. Med en relativt enkel kristall - natriumklorid (NaCl, mer känt som bordsalt) - i vatten, forskarna lade grunden för analysen av mer komplexa kristaller.

Joniska kristaller kan se ut för blotta ögat - och till och med under viss förstoring - bestå av helt släta och jämna ansikten. Men titta närmare och du kommer ofta att upptäcka att de faktiskt innehåller ytegenskaper som påverkar deras förmåga att växa, och de större former som de tar.

"Det finns dislokationer och runt dislokationerna finns det spiraler, och runt spiralerna finns det kanter, och runt kanterna finns det kinks, " sa Peters, "och varje nivå kräver en teori för att beskriva antalet av dessa funktioner och hastigheten med vilken de förändras." I minsta skala, joner i lösning kan inte lätt fästa vid den växande kristallen eftersom vattenmolekyler som löser (interagerar med) jonerna inte lätt lossnar, han sa. Med så många processer som sker i så många skalor, det är lätt att se hur svårt det kan vara att förutsäga en kristalls tillväxt.

"Den största utmaningen var att tillämpa de olika teknikerna och metoderna på ett nytt problem - att undersöka jonfästning och lossning vid ytkinkplatser, där det saknas symmetri i kombination med starka jon-vatten-interaktioner, " sade Joswiak. "Men, när vi stötte på problem och hittade lösningar, vi fick ytterligare insikt om processerna, vattenmolekylernas roll och skillnader mellan natrium- och kloridjoner. "

Bland deras insikter:Jonstorlek spelar roll. Forskarna fann att på grund av dess storlek, den större kloridjonen (Cl-) hindrar vatten från att komma åt kinkplatser under lossning, begränsa den totala hastigheten av natriumkloridupplösning i vatten.

"Du måste hitta ett speciellt koordinatsystem som kan avslöja de speciella lösningsmedelsarrangemang som skapar en öppning för jonen att glida genom lösningsmedelsburen och låsa sig på kinkplatsen, "Sa Peters." Vi visade att åtminstone för natriumklorid kan vi äntligen ge ett konkret svar. "

Denna proof-of-concept-utveckling är resultatet av Doherty-gruppens expertis med kristalliseringsprocesser i kombination med Peters-gruppens expertis i "sällsynta händelser"-relativt sällsynta och kortlivade men mycket betydelsefulla fenomen (som reaktioner) som i grunden förändrar tillståndet av systemet. Med hjälp av en metod som kallas övergångsvägsprovtagning, forskarna kunde förstå händelserna som ledde fram till övergångstillståndet. Strategin och de mekanistiska insikterna från arbetet med natriumklorid ger en plan för att förutsäga tillväxthastigheter i materialsyntes, läkemedel och biomineralisering.