La Investigación Sobre Los Misterios Del Crecimiento De Cristales Revela Eventos Moleculares Clave

Las moléculas se integran en el cristal

Las fluctuaciones locales permiten que las moléculas abandonen la capa de solvatación y se integren en la superficie del cristal. Crédito: Meenesh Singh

Control del crecimiento de cristales para innovaciones en medicina, ingeniería.

Si bien los cristales se han estudiado durante siglos y son omnipresentes en la vida diaria (están en nuestros huesos, los alimentos que comemos y las baterías que usamos), los científicos aún no comprenden completamente cómo crecen los cristales o cómo fabricarlos de manera eficiente. Como resultado, los esfuerzos científicos para mejorar una amplia gama de materiales cristalinos, desde biomateriales autorreparables hasta paneles solares, han sido limitados.

Investigadores de la Universidad de Illinois en Chicago han descubierto parte de este misterio. Mediante el uso de simulaciones por computadora para analizar cómo se mueven los átomos y las moléculas en una solución, el equipo de UIC ha identificado un mecanismo general que rige el crecimiento de los cristales que los científicos pueden manipular al desarrollar nuevos materiales.

Específicamente, encontraron que cuando las moléculas formadoras de cristales están rodeadas por un solvente, como el agua, las moléculas del solvente forman un escudo que ellos llaman capa de solvatación. Cuando este escudo fluctúa, las moléculas pueden liberarse para formar cristales. También mostraron que la temperatura, el tipo de disolvente y el número de moléculas de disolvente afectan la fluctuación de la capa.

Sus hallazgos se publican en la revista Proceedings of the National Academy of Sciences.

“Por primera vez, hemos mostrado lo que sucede cuando una molécula deja un solvente para formar un cristal”, dijo Meenesh Singh, autor principal y profesor asistente de ingeniería química en la Facultad de Ingeniería de la UIC. “En las condiciones adecuadas, el escudo ‘baila’ y permite que las moléculas se liberen y se integren en la superficie del cristal. Las fluctuaciones en la capa de solvatación son eventos moleculares clave que explican cómo se forman los cristales; el conocimiento de este mecanismo ha estado ausente desde el inicio de la investigación sobre la cristalización ”.

Singh dijo que comprender este mecanismo proporcionará a los científicos una mayor capacidad para dirigir moléculas para formar cristales para una estructura, forma y tamaño específicos. “Esto nos permitirá fabricar mejores materiales para una amplia clase de productos que se utilizan en la vida diaria”, dijo.

Algunos ejemplos, dijo, son los implantes óseos para promover la biomineralización, mejores sistemas de administración de fármacos, baterías de litio más estables y semiconductores y productos químicos agrícolas mejorados.

“El conocimiento molecular obtenido de este estudio también ayudará a ahorrar dinero en varias industrias químicas al reducir la necesidad de técnicas de acertar o fallar en miles de ensayos”, dijo el estudiante graduado de la UIC Anish Dighe, coautor del artículo. “Con la ayuda de este estudio, ahora podemos diseñar sistemas que puedan cristalizar la molécula de soluto deseada sin tantos ensayos”.

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Referencia: “Las fluctuaciones de los solventes en la capa de solvatación determinan la barrera de activación para las tasas de crecimiento de los cristales” por Anish V. Dighe y Meenesh R. Singh, 11 de noviembre de 2019, Actas de la Academia Nacional de Ciencias .
DOI: 10.1073 / pnas.1910691116 

Este estudio está financiado en parte por la National Science Foundation (CBET-1706921).

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