Forskare har länge misstänkt att hur material beter sig på nanoskala – det vill säga när partiklar har dimensioner på cirka 1–100 nanometer – skiljer sig från hur de beter sig på någon annan skala. En ny artikel i tidskriften Kemivetenskap ger konkreta bevis på att så är fallet.

Termodynamikens lagar styr materialens beteende i makrovärlden, medan kvantmekaniken beskriver beteendet hos partiklar i den andra ytterligheten, i en värld av enskilda atomer och elektroner.

Men i mitten, i storleksordningen 10–100, 000 molekyler, något annat är på gång. Eftersom det är en så liten skala, partiklarna har ett riktigt stort förhållande mellan ytarea och volym. Detta betyder att energin i det som händer på ytan blir mycket viktig, ungefär som de gör på atomär skala, där kvantmekanik ofta tillämpas.

Klassisk termodynamik går sönder. Men eftersom det finns så många partiklar, och det finns många interaktioner mellan dem, kvantmodellen fungerar inte riktigt heller.

Och eftersom det finns så många partiklar som gör olika saker samtidigt, det är svårt att simulera alla deras interaktioner med en dator. Det är också svårt att samla in mycket experimentell information, eftersom vi ännu inte har utvecklat förmågan att mäta beteende i en så liten skala.

Denna gåta blir särskilt akut när vi försöker förstå kristallisation, processen genom vilken partiklar, slumpmässigt fördelade i en lösning, kan bilda högordnade kristallstrukturer, med rätt förutsättningar.

Kemister förstår inte riktigt hur detta fungerar. Hur gör runt 1018 molekyler, flytta runt i lösning på måfå, gå samman för att bilda en mikro-till millimeter storleksordnad kristall? Mest anmärkningsvärt är kanske det faktum att i de flesta fall är varje kristall ordnad på samma sätt varje gång kristallen bildas.

Dock, det visar sig att olika förhållanden ibland kan ge olika kristallstrukturer. Dessa är kända som polymorfer, och de är viktiga inom många vetenskapsgrenar inklusive medicin – ett läkemedel kan bete sig olika i kroppen beroende på vilken polymorf det har kristalliserats i.

Vad vi vet hittills om processen, åtminstone enligt en allmänt accepterad modell, är att partiklar i lösning kan gå samman och bilda en kärna, och när en kritisk massa nås ser vi kristalltillväxt. Strukturen av kärnan bestämmer strukturen för den slutliga kristallen, det är, vilken polymorf vi får.

Vad vi inte har vetat förrän nu är vad som bestämmer kärnans struktur i första hand, och det händer på nanoskala.

I det här pappret, författarna har använt mekanokemi – det vill säga fräsning och malning – för att erhålla nanostora partiklar, tillräckligt liten för att yteffekterna blir betydande. Med andra ord, nanovärldens kemi – vilka strukturer som är mest stabila i denna skala, och vilka förhållanden som påverkar deras stabilitet, har studerats för första gången med noggrant kontrollerade experiment.

Och genom att ändra fräsförhållandena, till exempel genom att tillsätta en liten mängd lösningsmedel, författarna har kunnat kontrollera vilken polymorf som är den mest stabila. Professor Jeremy Sanders vid University of Cambridges avdelning för kemi, som ledde arbetet, sa "Det är spännande att dessa enkla experiment, när det utförs med stor omsorg, kan oväntat öppna en ny dörr för att förstå den grundläggande frågan om hur yteffekter kan kontrollera stabiliteten hos nanokristaller."

Joel Bernstein, Global Distinguished Professor of Kemi vid NYU Abu Dhabi, och en expert på kristalltillväxt och struktur, förklarar:"Författarna har elegant visat hur man experimentellt mäter och simulerar situationer där man har två möjliga kärnor, säg A och B, och bestäm att A är mer stabil. Och de kan också visa vilka villkor som krävs för att dessa stabiliteter ska inverteras, och för att B ska bli mer stabil än A."

"Detta är verkligen en nyhet, eftersom du inte kan göra dessa förutsägelser med klassisk termodynamik, och inte heller är detta kvanteffekten. Men genom att göra dessa experiment, författarna har börjat få en förståelse för hur saker och ting beter sig på denna storleksordning, och hur vi kan förutsäga och därmed kontrollera det. Den eleganta delen av experimentet är att de har kunnat kärnbilda A och B selektivt och reversibelt."

Ett av nyckelorden för kemisk syntes är "kontroll". Kemister försöker alltid kontrollera materialens egenskaper, oavsett om det är för att göra ett bättre färgämne eller plast, eller ett läkemedel som är mer effektivt i kroppen. Så om vi kan lära oss att kontrollera hur molekyler i en lösning samlas för att bilda fasta ämnen, vi kan vinna mycket. Detta arbete är ett viktigt första steg för att få den kontrollen.