Identificata formazione cristalli di sale grazie a video a livello atomico

La formazione dei cristalli è uno dei processi più comuni a cui probabilmente possiamo pensare. Ogni volta che congeliamo l'acqua in cubetti di ghiaccio, per esempio, si creano delle strutture cristalline. C'è anche un divertente esperimento che è possibile fare per coltivare cristalli di sale in maniera molto semplice, usando solo sale da cucina e acqua.

Che cosa avviene a livello atomico quando si formano i cristalli?

A livello atomico, abbiamo una scarsa comprensione di come si formano i cristalli, in particolare sappiamo poco della nucleazione – il primo passo nel processo di cristallizzazione. Ciò avviene in parte perché si tratta di un processo dinamico che avviene su scale così piccole e in parte perché è in qualche modo un processo casuale, entrambi gli aspetti del fenomeno rendono difficile lo studio della formazione dei cristalli a livello atomico.

Questo è ciò che rende così emozionante il lavoro di un team di ricercatori guidati dal chimico Takayuki Nakamuro dell'Università di Tokyo, Giappone. Utilizzando una tecnica speciale in fase di sviluppo dal 2005, gli scienziati hanno filmato per la prima volta la cristallizzazione del sale su scala atomica.

La cristallizzazione è un processo largamente utilizzato da parte dell'industria

Poiché la cristallizzazione è un processo che viene utilizzato per un gran numero di applicazioni - dalla medicina alla produzione industriale - la fase identificata, secondo i ricercatori, rappresenta un passaggio considerevole verso un miglior controllo del modo in cui creiamo i materiali.

La tecnica utilizzata dai ricercatori, una microscopia elettronica particolare

La tecnica è chiamata microscopia elettronica a risoluzione atomica a singola molecola in tempo reale, o SMART-EM (single-molecule atomic-resolution real-time electron microscopy) usata per studiare molecole e aggregati molecolari. Combinando tale tecnica con un nuovo metodo di preparazione del campione, il team ha catturato la formazione stessa dei cristalli di sale.

Immagine 1 - Nucleazione e crescita di un cristallo di cloruro di sodio. Credits: Università di Tokio.

«Uno dei nostri studenti del master, Masaya Sakakibara, ha utilizzato la tecnica SMART-EM per studiare il comportamento del cloruro di sodio (NaCl) - anche conosciuto come sale da cucina, scrive Nakamuro».

«Per mantenere i campioni in posizione, usiamo strutture di carbonio (nanohorns) spesse come atomi, una delle nostre invenzioni precedenti. Con gli splendidi video catturati da Sakakibara, abbiamo immediatamente notato l'opportunità di studiare gli aspetti strutturali e statistici della nucleazione cristallina attraverso dettagli senza precedenti».

Ad una velocità di 25 fotogrammi al secondo, il team ha registrato il video dell'acqua mentre evapora da una soluzione di cloruro di sodio. Dal caos liquido, indotto dalla forma di un nanohorn di carbonio vibrante che sopprime la diffusione molecolare, l'ordine è emerso quando sono emerse decine di molecole di sale che si sono organizzate in cristalli a forma di cubo.

Secondo i ricercatori questi aggregati di precristallizzazione non erano mai stati osservati o caratterizzati prima.

Video cristallo visto da vicino. Crescita del cloruro di sodio (anche conosciuto come sale da cucina) in azione. Credits: Università di Tokyo.

i ricercatori hanno osservato il processo nove volte e per nove volte le molecole si sono organizzate in un ammasso fluttuante tra stati semi-ordinati e senza caratteristiche prima di aggregarsi improvvisamente in un cristallo, largo quattro atomi e lungo sei atomi. Questi stati, ha osservato il team, sono estremamente diversi dai cristalli reali.

I ricercatori hanno notato anche un modello statistico nella frequenza con cui i cristalli si formavano, crescevano e si ritraevano. Hanno scoperto che durante ciascuna delle nove nucleazioni, la tempistica del processo di nucleazione seguiva approssimativamente una distribuzione normale, con un tempo medio di 5,07 secondi; questo processo era stato teorizzato, ma questa è la prima volta che viene verificato sperimentalmente.

Nel complesso, i risultati riportati nello studio mostrano che le dimensioni dell'assemblaggio molecolare e la sua dinamica strutturale giocano entrambi un ruolo nel processo di nucleazione. Comprendendo ciò, è possibile controllare con precisione il processo di nucleazione controllando lo spazio in cui si verifica. I ricercatori potrebbero persino controllare le dimensioni e la forma del cristallo.

Il prossimo passo della ricerca, una cristallizzazione più complessa

Il prossimo passo della ricerca sarà cercare di studiare una cristallizzazione più complessa, con applicazioni pratiche più ampie.

«Il sale è solo la nostra prima sostanza modello per sondare le basi degli eventi di nucleazione» scrive il dott. Eiichi Nakamura, chimico all'Università di Tokio, Giappone.

«Il sale cristallizza soltanto in un modo. Ma altre molecole, come il carbonio, possono cristallizzare in più modi, portando alla formazione della grafite o del diamante. Questo fenomeno è chiamato polimorfismo, nessuno ha visto le prime fasi della nucleazione che conduce ad esso. Spero che il nostro studio fornisca il primo passo nella comprensione del meccanismo del polimorfismo».