Cuando los materiales alcanzan escalas de tamaño extremadamente pequeño, comienzan a suceder cosas extrañas. Uno de esos fenómenos es la formación de mescristales.
A pesar de estar compuestos por cristales individuales separados, los mescristales se unen para formar una estructura fusionada más grande que se comporta como un solo cristal puro. Sin embargo, estos procesos ocurren a escalas demasiado pequeñas para que el ojo humano los vea y su creación es extremadamentedesafiante de observar.
Debido a estos desafíos, los científicos no habían podido confirmar exactamente cómo se forman los mescristales.
Ahora, una nueva investigación realizada por un equipo dirigido por el Pacific Northwest National Laboratory PNNL utilizó técnicas avanzadas de microscopía electrónica de transmisión TEM para ver cómo se forman mescristales en una solución en tiempo real. Lo que vieron va en contra de la sabiduría convencional y sus conocimientos podrían algún díaayudar a los científicos a diseñar materiales para el almacenamiento de energía y comprender cómo se forman los minerales en el suelo.
En lugar de que los cristales individuales se nucleen, el paso que comienza la formación de cristales, y luego se agregan aleatoriamente en mescristales en dos pasos no relacionados, los investigadores observaron que la nucleación y la unión estaban estrechamente acopladas en la formación de estas estructuras altamente uniformes. Los investigadores informaron su trabajo en el18 de febrero de 2021 edición de Naturaleza .
"Nuestros hallazgos identifican una nueva e importante vía de cristalización por adhesión de partículas y resuelven preguntas clave sobre la formación de mescristales", dijo el científico de materiales de PNNL y la Universidad de Washington, Guomin Zhu. Formó parte del equipo de investigación dirigido por Jim De Yoreo, material de PNNLcientífico y codirector del Instituto del Noroeste de Física, Química y Tecnología de Materiales. "Sospechamos que este es un fenómeno generalizado con implicaciones significativas tanto para la síntesis de nanomateriales diseñados como para comprender la mineralización natural", agregó Zhu.
Ver cristalización en tiempo real
El proyecto tardó años en ejecutarse y requirió una importante resolución de problemas. Para los experimentos de microscopía, el equipo científico eligió un sistema modelo que incluía hematita, un compuesto de hierro que se encuentra comúnmente en la corteza terrestre, y oxalato, un compuesto naturalmente abundante en el suelo.
Visualizaron el proceso usando TEM in situ, lo que brinda a los investigadores la capacidad de ver la cristalización a escala nanométrica a medida que ocurre. Combinaron este método en tiempo real con TEM de "congelar y mirar" que les permitió seguir a un individuocristal en diferentes puntos durante el crecimiento. Los cálculos teóricos ayudaron a completar la imagen, lo que permitió al equipo de PNNL reconstruir cómo crecieron los mescristales.
Los investigadores generalmente ejecutan la mayoría de los experimentos TEM in situ a temperatura ambiente para simplificar la configuración experimental y minimizar el potencial de dañar el instrumento sensible, pero la formación de mescristales lo suficientemente rápida como para observar ocurre a alrededor de 80 ° C.
"El equipo adicional utilizado para calentar las muestras hizo que los experimentos fueran extremadamente desafiantes, pero sabíamos que los datos serían clave para comprender cómo se estaban formando los mescristales", dijo Zhu.
Una vez calentados, los nuevos nanocristales de hematita facilitan que se unan rápidamente, lo que conduce, en promedio, a mescristales finales de aproximadamente el mismo tamaño y forma.
Mescristales en la naturaleza
La clave química para esta unión rápida y confiable son las moléculas de oxalato presentes en la solución. Después de que se forman los primeros cristales pequeños, los aditivos de oxalato ayudan a crear un gradiente químico en la interfaz del líquido y el cristal en crecimiento. Más componentes químicosnecesario para que la nucleación de partículas permanezca cerca de los cristales, lo que aumenta drásticamente la probabilidad de que se formen nuevas partículas cerca de las existentes.
Si bien esta vía de crecimiento de cristales se observó en condiciones controladas a escalas muy pequeñas, es probable que también ocurra en sistemas naturales, según los investigadores. Algunos depósitos minerales, incluido un depósito de hematita australiano, contienen mescristales. Dada la abundancia natural de oxalato yLa observación del equipo de PNNL de que la hematita puede convertirse en mescristales a temperaturas tan bajas como 40 ° C, parece plausible que esta ruta de formación ocurra en la naturaleza.
Debido a que los mescristales se encuentran en toda la naturaleza, los hallazgos se pueden aplicar para comprender el ciclo de nutrientes en el medio ambiente, entre otras aplicaciones. Además, la ruta para crear estructuras complejas casi uniformes requiere comprender cómo funcionan los métodos para formar tales materiales y cómoPor lo tanto, este trabajo, apoyado por el Departamento de Energía de EE. UU., Oficina de Ciencias, Oficina de Ciencias Energéticas Básicas, División de Ciencias Químicas, Geociencias y Biociencias, abre nuevas posibilidades para crear intencionalmente mescristales o materiales similares a mescristales.
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