Los científicos han sospechado durante mucho tiempo que la forma en que se comportan los materiales en la nanoescala, es decir, cuando las partículas tienen dimensiones de alrededor de 1 a 100 nanómetros, es diferente de cómo se comportan en cualquier otra escala. Un nuevo artículo en la revista Ciencia química proporciona una prueba concreta de que este es el caso.

Las leyes de la termodinámica gobiernan el comportamiento de los materiales en el mundo macro, mientras que la mecánica cuántica describe el comportamiento de las partículas en el otro extremo, en el mundo de los átomos y electrones individuales.

Pero en el medio del orden de 10 a 100, 000 moléculas, algo diferente está sucediendo. Porque es una escala tan pequeña las partículas tienen una relación superficie-volumen realmente grande. Esto significa que la energía de lo que sucede en la superficie se vuelve muy importante, tanto como lo hacen a escala atómica, donde a menudo se aplica la mecánica cuántica.

La termodinámica clásica se rompe. Pero debido a que hay tantas partículas, y hay muchas interacciones entre ellos, el modelo cuántico tampoco funciona del todo.

Y como hay tantas partículas que hacen cosas diferentes al mismo tiempo, es difícil simular todas sus interacciones usando una computadora. También es difícil recopilar mucha información experimental, porque aún no hemos desarrollado la capacidad de medir el comportamiento en una escala tan pequeña.

Este enigma se vuelve particularmente agudo cuando intentamos comprender la cristalización, el proceso por el cual las partículas, distribuidos aleatoriamente en una solución, puede formar estructuras cristalinas muy ordenadas, dadas las condiciones adecuadas.

Los químicos realmente no entienden cómo funciona esto. ¿Qué hay alrededor de 1018 moléculas, moviéndose en solución al azar, se unen para formar un cristal ordenado de tamaño micro a milímetro? Quizás lo más notable sea el hecho de que en la mayoría de los casos todos los cristales se ordenan de la misma manera cada vez que se forma el cristal.

Sin embargo, resulta que diferentes condiciones a veces pueden producir diferentes estructuras cristalinas. Estos se conocen como polimorfos, y son importantes en muchas ramas de la ciencia, incluida la medicina:un fármaco puede comportarse de manera diferente en el cuerpo según el polimorfo en el que se cristalice.

Lo que sabemos hasta ahora sobre el proceso, al menos de acuerdo con un modelo ampliamente aceptado, es que las partículas en solución pueden unirse para formar un núcleo, y una vez que se alcanza una masa crítica, vemos un crecimiento de cristales. La estructura del núcleo determina la estructura del cristal final, es decir, qué polimorfo obtenemos.

Lo que no hemos sabido hasta ahora es qué determina la estructura del núcleo en primer lugar, y eso sucede a nanoescala.

En este papel, los autores han utilizado la mecanoquímica, es decir, moler y triturar, para obtener partículas de tamaño nanométrico, lo suficientemente pequeño como para que los efectos de la superficie se vuelvan significativos. En otras palabras, la química del nanomundo - qué estructuras son las más estables a esta escala, y qué condiciones afectan su estabilidad, ha sido estudiado por primera vez con experimentos cuidadosamente controlados.

Y al cambiar las condiciones de fresado, por ejemplo agregando una pequeña cantidad de solvente, los autores han podido controlar qué polimorfo es el más estable. El profesor Jeremy Sanders del Departamento de Química de la Universidad de Cambridge, quien dirigió el trabajo, dijo "Es emocionante que estos sencillos experimentos, cuando se lleva a cabo con gran cuidado, inesperadamente puede abrir una nueva puerta para comprender la cuestión fundamental de cómo los efectos de la superficie pueden controlar la estabilidad de los nanocristales ".

Joel Bernstein, Profesor Distinguido Global de Química en NYU Abu Dhabi, y un experto en crecimiento y estructura de cristales, explica:"Los autores han mostrado con elegancia cómo medir y simular de forma experimental situaciones en las que tienes dos núcleos posibles, di A y B, y determine que A es más estable. Y también pueden mostrar qué condiciones son necesarias para que estas estabilidades se inviertan, y que B se vuelva más estable que A. "

"Esto es realmente una noticia, porque no puedes hacer esas predicciones con la termodinámica clásica, y tampoco es este el efecto cuántico. Pero al hacer estos experimentos, los autores han comenzado a comprender cómo se comportan las cosas en este régimen de tamaño, y cómo podemos predecirlo y así controlarlo. La parte elegante del experimento es que han podido nuclear A y B de forma selectiva y reversible ".

Una de las palabras clave de la síntesis química es "control". Los químicos siempre intentan controlar las propiedades de los materiales, ya sea para hacer un mejor tinte o plástico, o un fármaco que sea más eficaz en el cuerpo. Entonces, si podemos aprender a controlar cómo las moléculas en una solución se unen para formar sólidos, podemos ganar mucho. Este trabajo es un primer paso importante para obtener ese control.