Nowa teoria krystalizacji pokazuje, że tworzenie kryształów kontroluje rozpuszczalnik, a nie substancja rozpuszczona. Ten dwuetapowy proces poprawia przewidywanie wzrostu kryształów i ma praktyczne zastosowania w takich dziedzinach, jak medycyna i technologia.
Czy pamiętasz ten stary eksperyment chemiczny z liceum, w którym z roztworu słonej wody tworzyły się kryształki soli, albo ten, w którym kryształki cukru wyrastały z wody z cukrem i zamieniały się w cukierki? Okazuje się, że Twoje zrozumienie sposobu powstawania kryształów w tych roztworach może być błędne.
Nowa teoria „demistyfikuje” proces krystalizacji i pokazuje, że materiał, który krystalizuje, jest dominującym składnikiem roztworu – czyli rozpuszczalnikiem, a nie substancją rozpuszczoną. Teoria ta może mieć wpływ na wszystko, od opracowywania leków po zrozumienie zmian klimatycznych.
„Kryształy są wszechobecne – używamy ich we wszystkim, od technologii po medycynę – ale brakuje nam faktycznego zrozumienia procesu krystalizacji” – mówi James Martin, profesor chemii na Uniwersytecie Uniwersytet Stanowy Karoliny Północnej i autor artykułu w Materiał który przedstawia teorię.
Powtórzenie chemii w szkole średniej
„Przeważające poglądy na temat rozpuszczania i wytrącania są takie, że są one zasadniczo odwrotnością siebie, ale tak nie jest. W rzeczywistości są to zupełnie różne procesy” – mówi Martin.
„Na przykładzie szkolnego eksperymentu chemicznego polegającego na wytrącaniu się osadu z roztworu: kiedy rozpuszczam sól (substancję rozpuszczoną) w wodzie (rozpuszczalnik), woda dominuje. Rozpuszcza sól, zasadniczo ją rozrywając” – mówi Martin. „Jeśli następnie chcę wyhodować kryształ soli z tego roztworu, fazą dominującą musi stać się sól – która jest w tym momencie rozpuszczalnikiem i to ona tworzy kryształ”.
Do zilustrowania nowej teorii, nazwanej teorią strefy przejściowej, można wykorzystać termodynamiczne diagramy fazowe, które opisują zależne od stężenia i temperatury punkty przejścia w roztworach.
Teoria pokazuje, że krystalizacja przebiega w dwóch etapach: najpierw powstają stopione formy pośrednie przed wzrostem. Następnie ten związek pośredni może zorganizować się w strukturę krystaliczną.
„Aby wyhodować kryształ z roztworu, trzeba szybko oddzielić rozpuszczalnik od substancji rozpuszczonej” – mówi Martin. „Kiedy mówimy tutaj o „stopie”, mówimy o czystej fazie rozpuszczalnika przed utworzeniem kryształów. Różnica polega na tym, że moja teoria pokazuje, że można uzyskać lepszy i szybszy wzrost kryształów, przesuwając roztwór do warunków, które podkreślają obecność rozpuszczalnika; innymi słowy, rozpuszczalnik – a nie zawarte w nim zanieczyszczenie – kontroluje tempo wzrostu kryształów”.
Zastosowania i implikacje praktyczne
Martin zastosował swoją teorię do szeregu różnych roztworów, stężeń i warunków temperaturowych i odkrył, że dokładnie opisuje ona szybkość i wielkość tworzenia się kryształów.
„Głównym problemem związanym z wcześniejszymi opisami krystalizacji było przekonanie, że kryształy rosną dzięki dyfuzji niezależnych cząstek substancji rozpuszczonej do granicy faz rosnącego kryształu, a następnie przyłączaniu się do niej” – mówi Martin. „Zamiast tego konieczne jest zrozumienie współpracujących zespołów rozpuszczalnika, aby opisać wzrost kryształów”.
Według Martina ważnym aspektem nowej teorii jest skupienie się na zrozumieniu, w jaki sposób rozpuszczone zanieczyszczenia zakłócają współdziałający zespół rozpuszczalników.
„Rozumiejąc wzajemne oddziaływanie temperatury i stężenia, możemy dokładnie przewidzieć, jak szybko i duże kryształy wyrosną z roztworu”.
Martin uważa, że diagramy fazowe mogą mieć ważne zastosowania nie tylko w tworzeniu kryształów, ale także w zapobieganiu ich tworzeniu, na przykład zapobieganiu rozwojowi kamieni nerkowych.
„Kryształy stanowią podstawę technologii – są wszędzie wokół nas i wpływają na nasze codzienne życie” – mówi Martin. „Ta teoria daje naukowcom proste narzędzia pozwalające zrozumieć „magię” wzrostu kryształów i dokonać lepszych przewidywań. To przykład tego, jak nauka fundamentalna kładzie podwaliny pod rozwiązywanie wszelkiego rodzaju problemów świata rzeczywistego”.
Odniesienie: „Substancje rozpuszczone nie krystalizują! Wgląd w diagramy fazowe demistyfikuje „magię” krystalizacji”, James D. Martin, 2 października 2024 r., Materiał.
DOI: 10.1016/j.matt.2024.08.011
Artykuł został częściowo wsparty przez National Science Foundation.
