En la interfaz entre la química y la física, el proceso de cristalización es omnipresente en la naturaleza y la industria. Es la base para la formación de copos de nieve pero también de ciertos principios activos utilizados en farmacología. Para que el fenómeno ocurra para una sustancia dada, primero debe pasar por una etapa llamada nucleación, durante la cual las moléculas se organizan y crean las condiciones óptimas para la formación de cristales. Si bien ha sido difícil observar la dinámica previa a la nucleación, este proceso clave ahora ha sido revelado por el trabajo de un equipo de investigación de la Universidad de Ginebra (UNIGE). Los científicos han logrado visualizar este proceso espectroscópicamente en tiempo real ya escala micrométrica, allanando el camino para el diseño de sustancias activas más seguras y estables. Estos resultados se pueden encontrar en las Actas de la Academia Nacional de Ciencias (PNAS ).

La cristalización es un proceso químico y físico utilizado en muchos campos, desde la industria farmacéutica hasta el procesamiento de alimentos. Se utiliza para aislar una sustancia gaseosa o líquida en forma de cristales. Sin embargo, este fenómeno no es exclusivo de la industria; es omnipresente en la naturaleza y se puede ver, por ejemplo, en copos de nieve, corales o cálculos renales.

Para que se formen cristales a partir de sustancias, primero deben pasar por una etapa crucial llamada nucleación. Es durante esta primera fase que las moléculas comienzan a organizarse para formar "núcleos", grupos estables de moléculas, lo que conduce al desarrollo y crecimiento de los cristales. Este proceso ocurre estocásticamente, lo que significa que no es predecible cuándo y dónde se forma un núcleo. "Hasta ahora, los científicos han estado luchando para visualizar esta primera etapa a nivel molecular. La imagen microscópica de la nucleación de cristales ha sido objeto de un intenso debate. Estudios recientes sugieren que las moléculas parecen formar una organización desordenada antes de la formación de núcleos. Entonces, ¿cómo ¿El orden cristalino emerge de ellos? Esa es una gran pregunta", explica Takuji Adachi, profesor asistente en el Departamento de Química Física de la Facultad de Ciencias de UNIGE.

Captura de un evento de nucleación de cristales a la vez

El equipo de Takuji Adachi, apoyado por dos investigadoras del Departamento de Química de la Universidad McGill (Nathalie LeMessurier y Lena Simine), ha dado un paso decisivo al lograr observar el proceso de nucleación de un cristal individual a escala micrométrica mediante espectroscopia óptica. "Hemos logrado demostrar y visualizar la organización y formación de agregados moleculares que preceden a la cristalización", explica Johanna Brazard, investigadora del Departamento de Química Física y coautora principal de la investigación.

Para observar este fenómeno, los científicos combinaron la microespectroscopía Raman —una técnica basada en la interacción de la luz con la materia para obtener información sobre su composición— y el atrapamiento óptico. “Usamos láseres para resaltar la estructura molecular durante la nucleación pero también para inducir el fenómeno de la nucleación y así poder observarlo y registrar su huella espectral”, explica Oscar Urquidi, estudiante de doctorado en el Departamento de Química Física y co-primer autor de esta investigación. La sustancia modelo elegida para realizar estos experimentos fue la glicina, un aminoácido que es un componente esencial de la vida, disuelto en agua.

“Nuestro trabajo ha revelado una etapa de cristalización que antes era invisible, dice Takuji Adachi. Visualizar con mayor precisión y comprender mejor lo que sucede a nivel molecular es muy útil para dirigir ciertas manipulaciones de manera más efectiva”. En particular, este descubrimiento podría facilitar la obtención de estructuras cristalinas más puras y estables para ciertas sustancias utilizadas en el diseño de muchos fármacos o materiales. + Explora más

Formación de hielo en superficies mejorada a través de un proceso de nucleación no clásico