La cristalización es el ensamblaje de átomos o moléculas en cristales sólidos altamente ordenados, que ocurre en natural, biológico, y sistemas artificiales. Sin embargo, cristalización en espacios reducidos, como la formación de la capa proteica de un virus, es poco entendido. Los investigadores están tratando de controlar la estructura del cristal final formado en un espacio confinado para obtener cristales con las propiedades deseadas. lo que requiere un conocimiento profundo del proceso de cristalización.

Un grupo de investigación del Instituto de Ciencias Industriales, la Universidad de Tokio y la Universidad de Fudan, dirigido por Hajime Tanaka y Peng Tan, usó una gota de un coloide:una dispersión de partículas líquidas en otro líquido, como la leche, como modelo para átomos o moléculas individuales en una esfera. A diferencia de los átomos o moléculas individuales, que son demasiado pequeños para observarlos fácilmente, las partículas coloides eran lo suficientemente grandes como para visualizarlas con un microscopio. Esto permitió a los investigadores rastrear el orden de partículas individuales en tiempo real durante la cristalización.

"Visualizamos el proceso de organización de las partículas coloides en numerosas gotas bajo diferentes condiciones para proporcionar una imagen del proceso de cristalización en una esfera, "dice Tan.

Basado en sus observaciones, el equipo propuso que el proceso de cristalización implicaba tres etapas:orden inicial en la "piel" de la superficie de la gota, nucleación y crecimiento en el núcleo de la gota, y luego maduración lenta de toda la estructura. Primero, una piel que consta de una sola capa de partículas coloides ordenadas se formó rápidamente en la superficie de la gota. Próximo, la cristalización ocurrió en el núcleo de la gota, lejos de la piel cristalizada. La competencia entre la cristalización en estas dos regiones controló la estructura del cristal final.

Los investigadores encontraron que las interacciones "suaves" (de largo alcance) entre las partículas coloides cargadas negativamente afectaron su organización y la estructura cristalina resultante. Estas interacciones suaves están dominadas por la cinética, es decir, las interacciones que se forman más rápido, en lugar de los que utilizan la menor cantidad de energía para dar la estructura termodinámicamente estable, ilustrando que la cinética juega un papel importante en la cristalización en un espacio confinado. Ya se sabía que la termodinámica contribuye fuertemente a la estructura final de los cristales. Los hallazgos del equipo confirmaron que la cinética también es integral, fomentando nuestro conocimiento de la cristalización en espacios reducidos.

"Esta investigación profundiza nuestra comprensión del proceso de cristalización en sistemas geométricamente restringidos, investigadores líderes un paso más cerca de lograr un crecimiento controlado de cristales a muy pequeña escala, "explica Tanaka.

El conocimiento detallado del proceso de formación de cristales en sistemas confinados puede permitir cristales con estructuras diseñadas, como nanopartículas para aplicaciones electrónicas específicas, para ser obtenido, dando a los investigadores una mayor capacidad para controlar la estructura y, por lo tanto, las propiedades de materiales valiosos.

El artículo "Cinética de selección morfológica de la cristalización en una esfera" se publica en Física de la naturaleza .