Hace un millón de años, la especie más antigua conocida que caminaba erguida como un humano, el Homo erectus, sentía una fascinación similar a la humana por los cristales. Los historiadores pueden incluso precisar las posibles razones:los cristales no se parecían a nada en ese momento:árboles, valles, montañas. Los cristales eran un material para reflexionar, una diversión fascinante para la mente.

Hasta el día de hoy, la preocupación humana por la magia de los cristales continúa llenando la mente de los científicos que han desarrollado formas de utilizar los cristales para todo, desde curas para la malaria hasta células solares y semiconductores, catalizadores y elementos ópticos. A lo largo de los años, los cristales se han convertido en componentes cruciales de las tecnologías que permiten la civilización moderna.

El investigador de la Universidad de Houston, Peter Vekilov, y el profesor Frank Worley de Ingeniería Química y Biomolecular, han publicado en PNAS una respuesta a cómo se forman los cristales y cómo las moléculas pasan a formar parte de ellos.

"Durante décadas, los investigadores del crecimiento de cristales han soñado con dilucidar la reacción química entre las moléculas entrantes y los sitios únicos en la superficie del cristal que las aceptan, los pliegues", dijo Vekilov. "El mecanismo de esa reacción, es decir, la escala de tiempo y la escala de duración características, los posibles intermediarios y sus estabilidades, ha permanecido difícil de alcanzar y sujeto a especulación durante más de 60 años."

El principal obstáculo para una comprensión más profunda ha sido la falta de datos sobre cómo se unen las moléculas, relacionado con el complicado proceso de pasar de la solución al lugar donde crecen.

Para desentrañar la reacción química entre una molécula que se disuelve en líquido (soluto) y una torcedura, Vekilov movilizó dos estrategias transformacionales, una usando pares orgánicos completos y la segunda, usando cuatro solventes con estructuras y funciones distintas. Trabajando con las moléculas, combinó técnicas experimentales de última generación que incluyen microscopía de fuerza atómica in situ resuelta en el tiempo con resolución casi molecular, difracción de rayos X, espectroscopia de absorción y microcopia electrónica de barrido.

Fue entonces cuando Vekilov hizo un descubrimiento revolucionario:la incorporación a los torceduras puede ocurrir en dos pasos divididos por un estado intermedio y la estabilidad de este estado medio es clave en cómo crecen los cristales. Básicamente decide qué tan rápido o lento se forman los cristales porque afecta la facilidad con la que las cosas pueden unirse durante el proceso

Aunque los nuevos descubrimientos no se remontan a la época del Homo sapien, sí resuelven un enigma de 40 años para Vekilov.

"Las nociones de un estado intermedio y su papel decisivo en el crecimiento de los cristales refutan y reemplazan la idea dominante en el campo, planteada por A.A. Chernov, mi asesor de doctorado, de que la barrera de activación para el crecimiento está determinada por la relación soluto-disolvente. interacciones en la solución a granel", afirmó.

El nuevo paradigma de incorporación en dos pasos, mediada por un estado intermedio, podría ayudar a comprender cómo las partes pequeñas de un líquido pueden influir en las formas detalladas de los cristales que se encuentran en la naturaleza.

"Igualmente importante es que este paradigma guiará la búsqueda de disolventes y aditivos que estabilicen el estado intermedio para frenar el crecimiento de, por ejemplo, polimorfos no deseados", afirmó Vekilov.

El equipo de Vekilov incluye a Jeremy Palmer, Ernest J y Barbara M Henley, profesor asociado de ingeniería química y biomolecular; los ex estudiantes de posgrado Rajshree Chakrabarti y Lakshmanji Verma; y Viktor G. Hadjiev, Centro de Superconductividad de Texas en la UH.

Más información: Rajshree Chakrabarti et al, Las reacciones elementales para la incorporación a cristales, Actas de la Academia Nacional de Ciencias (2024). DOI:10.1073/pnas.2320201121

Proporcionado por la Universidad de Houston