O cultivo de cristais ficou um pouco mais fácil graças ao trabalho de uma equipe internacional da Virginia Tech, Universidade de Harvard, e AMOLF, operado pela Fundação para a Pesquisa Fundamental sobre o Instituto AMOLF) na Holanda.

A equipe incluiu Ling Li, professor assistente de engenharia mecânica na Faculdade de Engenharia.

O trabalho do grupo apareceu recentemente no jornal Proceedings of the National Academy of Sciences ( PNAS ) com Li como o primeiro autor. A pesquisa sobre nucleação controlada e crescimento de cristais fornecerá insights para a compreensão, imitando, e, por fim, expandindo as estratégias de mineralização da natureza para o desenvolvimento de estruturas microscópicas funcionais.

O crescimento de cristais tem sido uma parte importante na tentativa de imitar a formação mineral biológica como estruturas biomineralizadas na natureza, como conchas e ossos, que são muito mais duráveis ​​e avançados do que aqueles criados sinteticamente hoje. Usando um dos dois parâmetros de controle, super-saturação ou incompatibilidade de rede de núcleo, os pesquisadores puderam controlar a nucleação e o crescimento de cristais à base de carbonato.

"Nossa pesquisa combinou com sucesso a supersaturação local e a incompatibilidade de rede para promover de forma mais eficaz a nucleação do cristal, "disse Li." Ao demonstrar o controle sobre ambos os parâmetros, podemos direcionar o posicionamento e a direção do crescimento de compostos cristalinos em substratos específicos. "

A incompatibilidade de estrutura substrato / núcleo refere-se à diferença de alinhamento do cristal entre o cristal em crescimento em um substrato específico, enquanto a supersaturação local indica que a concentração do material dissolvido em torno de uma estrutura de cristal crescente imersa em solvente é maior do que seu limite de solubilidade.

"A motivação deste trabalho é entender como as estruturas mineralizadas biológicas se formam - como as conchas do mar, "Li disse." Uma concha é feita principalmente de giz, que obviamente é frágil e fraco, mas a natureza organiza a estrutura de maneira a torná-la muito forte. "

O grupo de pesquisa colaborativa está trabalhando para explicar a base estrutural chave das propriedades mecânicas e entender seus caminhos de formação para o desenvolvimento de materiais estruturais bioinspirados no futuro.

A parte de Li do projeto se concentra nas estruturas interfaciais entre o substrato subjacente e os cristais crescidos e como as estruturas podem crescer de forma diferente em diferentes condições.

Usando um exemplo de três estruturas cristalinas diferentes de carbonato de cálcio (os biominerais mais abundantes encontrados na natureza) como substratos, a equipe determinou que, ao modificar a localização da reação de cristalização que ocorre em um solvente, eles podem afetar tanto a supersaturação quanto a incompatibilidade de estrutura substrato / núcleo e, dessa forma, nuclear e direcionar o crescimento dos cristais em um local e direção específicos.

"Ao tentar entender como essas estruturas são organizadas, podemos tentar imitar a natureza com materiais sintéticos e melhorar as propriedades mecânicas, "disse Li.

Uma das próximas etapas da pesquisa terá Li liderando o mesmo grupo enquanto observam como os cristais se formam sob um feixe de raios-X que registrará todo o processo de crescimento.

"Queremos ver como os cristais crescem em uma resolução de nanômetro, para fornecer mais informações em termos de compreensão de como os parâmetros de crescimento controlam a morfologia dos cristais, e talvez mais informações sobre como os sistemas biológicos funcionam para controlar a morfologia, o que é extremamente importante em termos de suas propriedades. "