(Die Universität Tokio/YouTube) Die Bildung von Kristallen ist wahrscheinlich einer der häufigsten Prozesse, die man sich vorstellen kann. Jedes Mal, wenn Sie beispielsweise Wasser in Eiswürfel einfrieren, erzeugen Sie etwas kristalline Strukturen . Es gibt sogar ein lustiges Experiment, mit dem Sie Salzkristalle züchten können – ganz einfach Speisesalz und Wasser .
Aber auf atomarer Ebene wissen wir kaum, wie Kristalle entstehen, insbesondere über die Keimbildung – den allerersten Schritt im Kristallisationsprozess. Das liegt zum Teil daran, dass es sich um einen dynamischen Prozess handelt, der in so kleinen Maßstäben abläuft, und zum Teil daran, dass er etwas zufällig ist, was beides das Studium erschwert.
Das macht die Arbeit eines Forscherteams um den Chemiker Takayuki Nakamuro von der Universität Tokio in Japan so spannend. Mit einer speziellen Technik, die seit 2005 entwickelt wird, haben sie erstmals die Kristallisation von Salz auf atomarer Ebene gefilmt.
Da die Kristallisation für eine Vielzahl von Anwendungen eingesetzt wird – von der Medizin bis zur industriellen Fertigung – sei dies ein Schritt hin zu einer besseren Kontrolle darüber, wie wir Materialien herstellen, sagten die Forscher.
Die Technik wird Einzelmolekül-Echtzeit-Elektronenmikroskopie mit atomarer Auflösung (SMART-EM) genannt und dient der Untersuchung von Molekülen und Molekülaggregaten. Durch die Kombination mit einer neu entwickelten Probenvorbereitungsmethode konnte das Team die Entstehung von Salzkristallen erfassen.
(Die Universität Tokio)
„Einer unserer Masterstudenten, Masaya Sakakibara, nutzte SMART-EM, um das Verhalten von Natriumchlorid (NaCl) – Salz, zu untersuchen.“ sagte Nakamuro .
„Um Proben an Ort und Stelle zu halten, verwenden wir atomdicke Kohlenstoff-Nanohörner, eine unserer früheren Erfindungen. „Anhand der atemberaubenden Videos, die Sakakibara aufgenommen hat, haben wir sofort die Möglichkeit erkannt, die strukturellen und statistischen Aspekte der Kristallkeimbildung in beispielloser Detailliertheit zu untersuchen.“
Mit einer Geschwindigkeit von 25 Bildern pro Sekunde zeichnete das Team auf, wie Wasser aus einer Natriumchloridlösung verdunstete. Aus dem flüssigen Chaos, das durch die Form eines vibrierenden Kohlenstoff-Nanohorns hervorgerufen wurde, das die molekulare Diffusion unterdrückte, entstand Ordnung, als Dutzende von Salzmolekülen auftauchten und sich zu würfelförmigen Kristallen anordneten.
Diese vorkristallisierten Aggregate seien noch nie zuvor beobachtet oder charakterisiert worden, sagten die Forscher.
Neunmal beobachteten die Forscher den Prozess, und neunmal ordneten sich die Moleküle zu einem Cluster an, der zwischen strukturlosen und halbgeordneten Zuständen schwankte, bevor sie sich plötzlich zu einem Kristall formten: vier Atome breit und sechs Atome lang. Das Team stellte fest, dass diese Zustände sich stark von den tatsächlichen Kristallen unterscheiden.
Sie bemerkten auch ein statistisches Muster in der Häufigkeit, mit der sich Kristalle bildeten, wuchsen und schrumpften. Sie fanden heraus, dass bei jeder der neun Keimbildungen der Zeitpunkt des Keimbildungsprozesses ungefähr a folgte Normalverteilung , mit einer durchschnittlichen Zeit von 5,07 Sekunden; Dies wurde zwar theoretisiert, aber dies ist das erste Mal, dass es experimentell bestätigt wurde.
Insgesamt zeigten ihre Ergebnisse, dass sowohl die Größe der Molekülanordnung als auch ihre Strukturdynamik eine Rolle beim Keimbildungsprozess spielen. Wenn man dies versteht, ist es möglich, den Keimbildungsprozess präzise zu steuern, indem man den Raum kontrolliert, in dem er stattfindet. Sie konnten sogar die Kristallgröße und -form kontrollieren.
Der nächste Forschungsschritt wird darin bestehen, komplexere Kristallisationen mit umfassenderen praktischen Anwendungen zu untersuchen.
„Salz ist nur unsere erste Modellsubstanz, die die Grundlagen von Keimbildungsereignissen untersucht“, sagte der Chemiker Eiichi Nakamura der Universität Tokio.
„Salz kristallisiert nur auf eine Art.“ Aber auch andere Moleküle wie Kohlenstoff können auf verschiedene Weise kristallisieren und zu Graphit oder Diamant führen. Dies nennt man Polymorphismus, und niemand hat die frühen Stadien der Keimbildung gesehen, die dazu führt. „Ich hoffe, dass unsere Studie den ersten Schritt zum Verständnis des Mechanismus des Polymorphismus darstellt.“
Die Forschung wurde im veröffentlicht Zeitschrift der American Chemical Society .