Desde la madre naturaleza hasta nuestros dispositivos imprescindibles, estamos rodeados de cristales. Los cortesía del primero, como el hielo y la nieve, puede formarse de forma espontánea y simétrica. Pero los cristales de nitruro de galio o a base de silicio que se encuentran en los LED y otros componentes electrónicos requieren un poco de persuasión para lograr sus formas y alineaciones ideales.

En UC Santa Barbara, Los investigadores han descubierto ahora otra pieza del rompecabezas teórico que gobierna el crecimiento de los cristales, un desarrollo que puede ahorrar tiempo y energía en los muchos procesos que requieren la formación de cristales.

"La forma en que se diseñan la mayoría de los procesos industriales hoy en día es mediante la realización de una gran cantidad de experimentos para descubrir cómo crecen los cristales y a qué velocidad crecen en diferentes condiciones, "dijo el ingeniero químico de UCSB Michael Doherty, un autor de un artículo que aparece en el procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias . Copos de nieve, por ejemplo, se forman de manera diferente a medida que caen, dependiendo de condiciones variables como temperatura y humedad, de ahí la creencia generalizada de que no hay dos iguales. Después de determinar las condiciones óptimas para el crecimiento del cristal de elección, El equipo agregado de Doherty debe diseñarse y calibrarse para proporcionar un entorno de crecimiento constante.

Sin embargo, uniendo décadas de experiencia, Doherty, Junto con el colega de UCSB, Baron Peters, y el ex estudiante graduado Mark Joswiak (ahora en Dow Chemical) han desarrollado un método computacional para ayudar a predecir las tasas de crecimiento de cristales iónicos en diferentes circunstancias. Usando un cristal relativamente simple:cloruro de sodio (NaCl, más conocida como sal de mesa):en agua, los investigadores sentaron las bases para el análisis de cristales más complejos.

Los cristales iónicos pueden parecer a simple vista, e incluso con algunos aumentos, que consisten en caras perfectamente lisas y uniformes. Pero mire más de cerca y, a menudo, encontrará que en realidad contienen características de la superficie que influyen en su capacidad de crecimiento. y las formas más grandes que toman.

"Hay dislocaciones y alrededor de las dislocaciones hay espirales, y alrededor de las espirales hay aristas, y alrededor de los bordes hay torceduras, Peters dijo:"y cada nivel requiere una teoría para describir el número de esas características y las tasas a las que cambian". En la escala más pequeña, Los iones en solución no se pueden adherir fácilmente al cristal en crecimiento porque las moléculas de agua que solvatan (interactúan con) los iones no se desprenden fácilmente. él dijo. Con tantos procesos ocurriendo a tantas escalas, es fácil ver lo difícil que puede ser predecir el crecimiento de un cristal.

"El mayor desafío fue aplicar las diversas técnicas y métodos a un nuevo problema:examinar la unión y el desprendimiento de iones en los sitios de deformación de la superficie, donde hay una falta de simetría junto con fuertes interacciones ion-agua, "Dijo Joswiak." Sin embargo, a medida que encontrábamos problemas y encontramos soluciones, obtuvimos información adicional sobre los procesos, el papel de las moléculas de agua y las diferencias entre los iones de sodio y cloruro ".

Entre sus ideas:el tamaño de los iones es importante. Los investigadores encontraron que debido a su tamaño, el ion cloruro (Cl-) más grande evita que el agua acceda a los sitios de retorcimiento durante el desprendimiento, limitar la velocidad global de disolución del cloruro de sodio en agua.

"Tienes que encontrar un sistema de coordenadas especial que pueda revelar esos reordenamientos especiales de solventes que crean una abertura para que el ión se deslice a través de la jaula de solvente y se bloquee en el sitio de la torcedura, Peters dijo:"Demostramos que al menos para el cloruro de sodio finalmente podemos dar una respuesta concreta".

Este desarrollo de prueba de concepto es el resultado de la experiencia del Grupo Doherty con procesos de cristalización junto con la experiencia del Grupo Peters en "eventos raros", fenómenos relativamente infrecuentes y de corta duración, pero altamente significativos (como reacciones) que cambian fundamentalmente el estado. del sistema. Usando un método llamado muestreo de ruta de transición, los investigadores pudieron comprender los eventos que condujeron al estado de transición. La estrategia y los conocimientos mecánicos del trabajo sobre el cloruro de sodio proporcionan un modelo para predecir las tasas de crecimiento en la síntesis de materiales. productos farmacéuticos y biomineralización.