Vídeo impressionante revela a formação de cristais de sal a partir de átomos individuais

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(Créditos: Universidade de Tóquio/YouTube)

Por Michelle Starr
Publicado na ScienceAlert

A formação de cristais é um dos processos mais comuns em que você provavelmente pode pensar. Cada vez que você congela água em cubos de gelo, por exemplo, está criando estruturas cristalinas. Há até uma experiência divertida que você pode fazer para cultivar cristais de sal – com nada mais do que água e sal de cozinha.

Porém, no nível atômico, temos uma compreensão insuficiente de como os cristais se formam, particularmente da nucleação – a primeira etapa do processo de cristalização. Em parte, porque é um processo dinâmico que acontece em escalas tão pequenas, e em parte porque é um tanto aleatório, o que torna difícil estudar.

É isso que torna tão emocionante o trabalho de uma equipe de pesquisadores liderada pelo químico Takayuki Nakamuro, da Universidade de Tóquio, no Japão. Usando uma técnica especial em desenvolvimento desde 2005, eles filmaram a cristalização de sal na escala atômica pela primeira vez.

Uma vez que a cristalização é usada para um grande número de aplicações – da medicina à fabricação industrial – este é um passo para controlar melhor como criamos os materiais, disseram os pesquisadores.

A técnica é chamada de microscopia eletrônica em tempo real com resolução atômica de moléculas, ou SMART-EM, usada para estudar moléculas e agregados moleculares. Ao combiná-lo com um método de preparação de amostra recém-desenvolvido, a equipe capturou a própria formação de cristais de sal.

(Créditos: Universidade de Tóquio)

“Um dos nossos alunos de mestrado, Masaya Sakakibara, usou o SMART-EM para estudar o comportamento do cloreto de sódio (NaCl) – sal”, disse Nakamuro.

“Para manter as amostras no lugar, usamos nanochifres de carbono com a espessura de um átomo, uma de nossas invenções anteriores. Com os vídeos impressionantes que Sakakibara capturou, percebemos imediatamente a oportunidade de estudar os aspectos estruturais e estatísticos da nucleação do cristal com detalhes sem precedentes.”

A uma taxa de 25 quadros por segundo, a equipe registrou como a água evaporou de uma solução de cloreto de sódio. Do caos líquido, induzido pela forma de um nanochifre de carbono vibrando e suprimindo a difusão molecular, a ordem emergiu quando dezenas de moléculas de sal surgiram e se organizaram em cristais em forma de cubo.

Esses agregados de pré-cristalização nunca foram observados ou caracterizados antes, disseram os pesquisadores.

 

Nove vezes os pesquisadores observaram o processo, e nove vezes as moléculas se organizaram em um aglomerado oscilando entre estados sem características e semiordenados antes de se formarem repentinamente em um cristal: quatro átomos de largura por seis de comprimento. Esses estados, observou a equipe, são extremamente diferentes dos cristais reais.

Eles também notaram um padrão estatístico na frequência com que os cristais se formaram, cresceram e encolheram. Eles descobriram que durante cada uma das nove nucleações, o tempo do processo de nucleação seguia aproximadamente uma distribuição normal, com um tempo médio de 5,07 segundos; isso havia sido teorizado, mas esta é a primeira vez que foi verificado experimentalmente.

No geral, seus resultados mostraram que o tamanho da montagem molecular e sua dinâmica estrutural desempenham um papel no processo de nucleação. Compreendendo isso, é possível controlar com precisão o processo de nucleação ao ter o controle do espaço em que ela ocorre. Eles podiam até controlar o tamanho e a forma do cristal.

O próximo passo da pesquisa será tentar estudar cristalizações mais complexas, com aplicações práticas mais amplas.

“O sal é apenas a nossa primeira substância modelo a investigar os fundamentos dos eventos de nucleação”, disse o químico Eiichi Nakamura, da Universidade de Tóquio.

“O sal só se cristaliza de uma maneira. Mas outras moléculas, como o carbono, podem se cristalizar de várias maneiras, resultando em grafite ou diamante. Isso é chamado de polimorfismo, e ninguém viu os estágios iniciais da nucleação que leva a ele. Espero que nosso estudo forneça o primeiro passo para a compreensão do mecanismo do polimorfismo.”

A pesquisa foi publicada no Journal of the American Chemical Society.