Нова теорія руйнує старі уявлення про утворення кристалів

Нова теорія кристалізації показує, що розчинник, а не розчинена речовина, контролює утворення кристалів. Цей двоетапний процес покращує прогнози росту кристалів і має практичне застосування в таких сферах, як медицина та технології. Ви пам’ятаєте той старий шкільний хімічний експеримент, де кристали солі утворювалися з розчину солоної води, або той, де кристали цукру виростали в цукерку з цукрової води? Виявляється, ваше розуміння того, як кристали утворилися в цих розчинах, може бути неправильним.

Нова теорія «демістифікує» процес кристалізації та показує, що матеріал, який кристалізується, є домінуючим компонентом у розчині, який є розчинником, а не розчиненою речовиною. Теорія може мати наслідки для всього, від розробки ліків до розуміння зміни клімату.

«Кристали всюдисущі — ми використовуємо їх у всьому, починаючи від технологій і закінчуючи медициною, — але нам бракує реального розуміння процесу кристалізації», — каже Джеймс Мартін, професор хімії в Університеті штату Північна Кароліна та автор статті в Matter , яка описує теорія.

Повернення до хімії в середній школі

«Переважаючі ідеї щодо розчинення та осадження полягають у тому, що вони, по суті, протилежні один одному, але це не так. Насправді це абсолютно різні процеси», — каже Мартін.

«На прикладі шкільного хімічного експерименту з виділенням осаду з розчину: коли я розчиняю сіль (розчинену речовину) у воді (розчиннику), вода домінує. Він розчиняє сіль, фактично розриваючи її на частини», — каже Мартін. «Якщо я потім хочу виростити кристал солі з цього розчину, домінуючою фазою має стати сіль, яка є розчинником у цій точці та є тією, яка формує кристал».

Термодинамічні фазові діаграми, які описують концентраційні та залежні від температури точки переходу в розчинах, можна використовувати для ілюстрації нової теорії, яка отримала назву теорії перехідної зони.

Теорія демонструє, що кристалізація відбувається у два етапи: спочатку утворюється проміжний продукт, що має форму розплаву. Тоді цей проміжний продукт може організуватися в кристалічну структуру.

«Щоб виростити кристал із розчину, потрібно швидко розділити розчинник і розчинену речовину», — каже Мартін. «Коли ми тут говоримо про «розплав», ми говоримо про чисту фазу розчинника до утворення кристалів. Різниця тут полягає в тому, що моя теорія показує, що ви отримуєте кращий і швидший ріст кристалів, переміщуючи свій розчин у бік умов, які акцентують увагу на розчиннику; іншими словами, розчинник, а не домішка в ньому, контролює швидкість росту кристалів».

Застосування та практичні наслідки

Мартін застосував свою теорію до ряду різних розчинів, концентрацій і температурних умов і виявив, що вона точно описує швидкість і розмір утворення кристалів.

«Основною проблемою попередніх описів кристалізації було уявлення про те, що кристали ростуть за рахунок того, що незалежні частинки розчиненої речовини дифундують і потім приєднуються до зростаючої межі кристалів», — каже Мартін. «Натомість необхідно розуміти кооперативні ансамблі розчинника, щоб описати ріст кристалів».

За словами Мартіна, важливим аспектом нової теорії є її зосередженість на розумінні того, як розчинені домішки порушують цей кооперативний ансамбль розчинників.

«Розуміючи взаємодію температури та концентрації, ми можемо точно передбачити, як швидко та великі кристали виростуть із розчину».

Мартін вважає, що фазові діаграми можуть мати важливе застосування не тільки для утворення кристалів, але й для запобігання утворенню кристалів, наприклад, для запобігання росту каменів у нирках.

«Кристали лежать в основі технологій — вони всюди навколо нас і впливають на наше повсякденне життя», — каже Мартін. «Ця теорія дає дослідникам прості інструменти, щоб зрозуміти «магію» росту кристалів і зробити кращі прогнози. Це приклад того, як основоположна наука закладає основу для вирішення будь-яких проблем реального світу».