Traducido por el equipo de SOTT.net en español

La formación de cristales es uno de los procesos más comunes en los que probablemente puedas pensar. Cada vez que congelas el agua en cubitos de hielo, por ejemplo, estás creando estructuras cristalinas. Incluso hay un divertido experimento para hacer crecer cristales de sal, con nada más que sal de mesa y agua.
salt crystalization
Sin embargo, a nivel atómico, no entendemos bien cómo se forman los cristales, especialmente la nucleación, el primer paso del proceso de cristalización. Esto se debe, en parte, a que es un proceso dinámico que ocurre a escalas muy pequeñas y, en parte, a que es algo aleatorio, lo que dificulta su estudio.

Por eso es tan interesante el trabajo de un equipo de investigadores dirigido por el químico Takayuki Nakamuro, de la Universidad de Tokio (Japón). Utilizando una técnica especial en desarrollo desde 2005, han filmado por primera vez la cristalización de la sal a escala atómica.

Dado que la cristalización se utiliza para un gran número de aplicaciones -desde la medicina hasta la fabricación industrial-, se trata de un paso hacia un mejor control de la creación de materiales, afirman los investigadores.

La técnica se denomina microscopía electrónica de resolución atómica en tiempo real de una sola molécula, o SMART-EM (por sus siglas en inglés), y se utiliza para estudiar moléculas y agregados moleculares. Al combinarla con un método de preparación de muestras recién desarrollado, el equipo captó la formación misma de los cristales de sal.
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© The University of Tokyo
"Uno de nuestros estudiantes de máster, Masaya Sakakibara, utilizó SMART-EM para estudiar el comportamiento del cloruro de sodio (NaCl), la sal", explica Nakamuro.

"Para mantener las muestras en su sitio, utilizamos nanohornos de carbono de grosor atómico, una de nuestras invenciones anteriores". Con los impresionantes vídeos que captó Sakakibara, nos dimos cuenta inmediatamente de la oportunidad de estudiar los aspectos estructurales y estadísticos de la nucleación de los cristales con un detalle sin precedentes."

A una velocidad de 25 fotogramas por segundo, el equipo grabó cómo se evaporaba el agua de una solución de cloruro de sodio. Del caos líquido, inducido por la forma de una nanoesfera de carbono vibrante que suprimía la difusión molecular, surgió el orden cuando decenas de moléculas de sal emergieron y se organizaron en cristales con forma de cubo.

Según los investigadores, estos agregados de precristalización nunca se habían observado ni caracterizado antes.


Los investigadores observaron el proceso nueve veces y las nueve veces las moléculas se organizaron en un grupo que fluctuaba entre estados sin rasgos y semiordenados antes de formarse repentinamente en un cristal: cuatro átomos de ancho por seis de largo. Estos estados, observó el equipo, son extremadamente diferentes de los cristales reales.

También observaron un patrón estadístico en la frecuencia con la que se formaban, crecían y encogían los cristales. Descubrieron que durante cada una de las nueve nucleaciones, el tiempo del proceso de nucleación seguía aproximadamente una distribución normal, con un tiempo medio de 5,07 segundos; esto se había teorizado, pero es la primera vez que se ha verificado experimentalmente.

En general, sus resultados mostraron que tanto el tamaño del conjunto molecular como su dinámica estructural desempeñan un papel en el proceso de nucleación. Entendiendo esto, es posible controlar con precisión el proceso de nucleación controlando el espacio en el que se produce. Incluso se podría controlar el tamaño y la forma del cristal.

El siguiente paso en la investigación será intentar estudiar una cristalización más compleja, con aplicaciones prácticas más amplias.

"La sal es nuestra primera sustancia modelo para estudiar los fundamentos de la nucleación", afirmó el químico Eiichi Nakamura, de la Universidad de Tokio.

"La sal sólo cristaliza de una manera. Pero otras moléculas, como el carbono, pueden cristalizar de múltiples maneras, dando lugar al grafito o al diamante. A esto se le llama polimorfismo, y nadie ha visto las primeras etapas de la nucleación que conduce a ello. Espero que nuestro estudio proporcione el primer paso para comprender el mecanismo del polimorfismo".

La investigación se ha publicado en el Journal of the American Chemical Society.