Há um milhão de anos, a espécie mais antiga conhecida a andar ereta como um ser humano, o Homo erectus, tinha uma fascinação humana pelos cristais. Os historiadores podem até identificar as possíveis razões – os cristais não se pareciam com nada na época – árvores, vales, montanhas. Os cristais eram um material para ponderar, uma diversão fascinante para a mente.



Até hoje, a preocupação humana com a magia dos cristais continua a ocupar a mente dos cientistas que desenvolveram formas de usar os cristais para tudo, desde a cura da malária até células solares e semicondutores, catalisadores e elementos ópticos. Ao longo dos anos, os cristais tornaram-se constituintes cruciais das tecnologias que permitem a civilização moderna.

O pesquisador Peter Vekilov da Universidade de Houston e o professor Frank Worley de Engenharia Química e Biomolecular publicaram na PNAS uma resposta sobre como os cristais são formados e como as moléculas se tornam parte deles.

"Durante décadas, os pesquisadores do crescimento de cristais sonharam em elucidar a reação química entre as moléculas que chegam e os locais únicos na superfície do cristal que as aceitam, as torções", disse Vekilov. "O mecanismo dessa reação, ou seja, a escala de tempo e a escala de comprimento características, os possíveis intermediários e suas estabilidades, permaneceu indefinido e sujeito a especulação por mais de 60 anos."

O principal obstáculo para uma compreensão mais profunda tem sido a falta de dados sobre como as moléculas se unem, ligadas ao complicado processo de passagem da solução até onde crescem.

Para desvendar a reação química entre uma molécula que se dissolve em líquido (soluto) e uma torção, Vekilov mobilizou duas estratégias transformacionais, uma utilizando pares orgânicos completos e a segunda, utilizando quatro solventes com estruturas e funções distintas. Trabalhando com as moléculas, ele combinou técnicas experimentais de última geração, incluindo microscopia de força atômica in situ resolvida no tempo com resolução quase molecular, difração de raios X, espectroscopia de absorção e microscopia eletrônica de varredura.

Foi então que Vekilov fez uma descoberta revolucionária:a incorporação em torções pode ocorrer em duas etapas divididas por um estado intermediário e a estabilidade desse estado intermediário é fundamental na forma como os cristais crescem. Basicamente, decide quão rápido ou lento os cristais se formam, porque afeta a facilidade com que as coisas podem se juntar durante o processo.

Embora as novas descobertas não remontem à época do Homo sapiens, elas resolvem um enigma de 40 anos para Vekilov.

"As noções de um estado intermediário e seu papel decisivo no crescimento do cristal refutam e substituem a ideia dominante na área, apresentada por A.A. Chernov, meu orientador de doutorado, de que a barreira de ativação para o crescimento é determinada pelo soluto-solvente interações no volume da solução", disse ele.

O novo paradigma de incorporação em duas etapas, mediada por um estado intermediário, poderia ajudar na compreensão de como pequenas partes de um líquido podem influenciar as formas detalhadas dos cristais encontrados na natureza.

"Igualmente importante, este paradigma orientará a busca por solventes e aditivos que estabilizem o estado intermediário para retardar o crescimento de, por exemplo, polimorfos indesejados", disse Vekilov.

A equipe de Vekilov inclui Jeremy Palmer, Ernest J e Barbara M Henley Professor Associado de Engenharia Química e Biomolecular; ex-alunos de pós-graduação Rajshree Chakrabarti e Lakshmanji Verma; e Viktor G. Hadjiev, Centro de Supercondutividade do Texas no UH.

Mais informações: Rajshree Chakrabarti et al, As reações elementares para incorporação em cristais, Proceedings of the National Academy of Sciences (2024). DOI:10.1073/pnas.2320201121
Fornecido pela Universidade de Houston