Da Mãe Natureza aos nossos dispositivos indispensáveis, estamos rodeados por cristais. Essa cortesia do primeiro, como gelo e neve, pode formar-se espontaneamente e simetricamente. Mas os cristais à base de silício ou de nitreto de gálio encontrados em LEDs e outros componentes eletrônicos requerem um pouco de persuasão para atingir seus formatos e alinhamentos ideais.

Na UC Santa Barbara, os pesquisadores descobriram agora outra peça do quebra-cabeça teórico que governa o crescimento dos cristais - um desenvolvimento que pode economizar tempo e energia nos muitos processos que exigem a formação de cristais.

"A forma como a maioria dos processos industriais é projetada hoje é fazendo um número exaustivamente grande de experimentos para descobrir como os cristais crescem e a que taxa eles crescem em diferentes condições, "disse o engenheiro químico da UCSB, Michael Doherty, um autor de um artigo que aparece no Proceedings of the National Academy of Sciences . Flocos de neve, por exemplo, formam de forma diferente à medida que caem, dependendo de condições variáveis, como temperatura e umidade, daí a crença amplamente difundida de que não existem dois iguais. Depois de determinar as condições ideais para o crescimento do cristal de escolha, O equipamento adicionado da Doherty deve ser projetado e calibrado para fornecer um ambiente de cultivo consistente.

Contudo, reunindo décadas de experiência, Doherty, junto com o colega da UCSB, Baron Peters, e o ex-aluno de graduação Mark Joswiak (agora na Dow Chemical) desenvolveram um método computacional para ajudar a prever as taxas de crescimento de cristais iônicos em diferentes circunstâncias. Usando um cristal relativamente simples - cloreto de sódio (NaCl, mais conhecido como sal de cozinha) - na água, os pesquisadores lançaram as bases para a análise de cristais mais complexos.

Os cristais iônicos podem parecer a olho nu - mesmo sob alguma ampliação - consistir em faces perfeitamente lisas e uniformes. Mas olhe mais de perto e você frequentemente descobrirá que eles realmente contêm características de superfície que influenciam sua capacidade de crescer, e as formas maiores que assumem.

"Existem deslocamentos e ao redor dos deslocamentos existem espirais, e ao redor das espirais existem bordas, e nas bordas existem dobras, "Peters disse, "e cada nível requer uma teoria para descrever o número desses recursos e as taxas nas quais eles mudam." Na menor escala, íons em solução não podem se anexar prontamente ao cristal em crescimento porque as moléculas de água que solvatam (interagem com) os íons não são facilmente desalojadas, ele disse. Com tantos processos ocorrendo em tantas escalas, é fácil ver como pode ser difícil prever o crescimento de um cristal.

"O maior desafio foi aplicar as várias técnicas e métodos a um novo problema - examinar a fixação e o desprendimento de íons em locais de torção de superfície, onde há uma falta de simetria associada a fortes interações íon-água, "Joswiak disse." No entanto, conforme encontramos problemas e soluções, obtivemos informações adicionais sobre os processos, o papel das moléculas de água e as diferenças entre os íons sódio e cloreto. "

Entre seus insights:O tamanho do íon é importante. Os pesquisadores descobriram que, devido ao seu tamanho, o íon cloreto maior (Cl-) impede que a água acesse os locais de dobra durante o desprendimento, limitando a taxa geral de dissolução de cloreto de sódio em água.

"Você tem que encontrar um sistema de coordenadas especial que possa revelar aqueles rearranjos de solvente especiais que criam uma abertura para o íon deslizar através da gaiola de solvente e travar no local da torção, "Peters disse." Nós demonstramos que pelo menos para o cloreto de sódio podemos finalmente dar uma resposta concreta. "

Este desenvolvimento de prova de conceito é o resultado da experiência do Grupo Doherty com processos de cristalização, juntamente com a experiência do Grupo Peters em "eventos raros" - fenômenos relativamente infrequentes e de curta duração, mas altamente significativos (como reações) que mudam fundamentalmente o estado do sistema. Usando um método chamado amostragem de caminho de transição, os pesquisadores foram capazes de compreender os eventos que levaram ao estado de transição. A estratégia e os insights mecanísticos do trabalho com cloreto de sódio fornecem um modelo para prever as taxas de crescimento na síntese de materiais, produtos farmacêuticos e biomineralização.