Cristallizzazione in real-time

Per osservare la cristallizzazione basta fermarsi a osservare il parabrezza di un’automobile in una fredda mattina di inverno. Purtroppo, non è altrettanto semplice osservare il processo a livello molecolare. Gli scienziati hanno provato per decenni a catturare il fenomeno in tempo reale, ma fino a oggi nessuno aveva confermato la validità dei modelli teorici. Un gruppo di ricercatori israeliani e spagnoli è riuscito per la prima volta in quest’impresa, osservando le interazioni molecolari che precedono la formazione di un cristallo. Lo studio, pubblicato su Nature Chemistry, illustra l’importanza della formazione intermedia di una “fase amorfa”, uno stato in cui le molecole si organizzano prima di generare l’architettura ordinata di un cristallo.

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Cristalli di ghiaccio (Foto: Wikimedia Commons).

 

La cristallizzazione a livello molecolare: due teorie a confronto

La cristallizzazione è il passaggio di stato che rende possibile la trasformazione di un liquido in un solido. Perché il processo possa prendere avvio, è però indispensabile che le molecole scavalchino l’iniziale barriera energetica. A questo proposito, sono state formulate in passato due teorie.

Il più accreditato è il modello della nucleazione: in seguito a urti casuali, le molecole inizino a formare piccoli raggruppamenti (detti cluster) dai quali prenderanno avvio i primi nuclei di cristallizzazione. Perché questo avvenga, è però necessario che le molecole – in moto caotico e casuale nella soluzione – si posizionino in modo ordinato. Il processo di nucleazione fa sì che, a partire da poche molecole, il passaggio allo stato solido “contagi” sempre più molecole (per un ripasso sul processo di nucleazione consulta questa News dell’Aula di Scienze). A detta di alcuni ricercatori, questo modello di nucleazione implica il superamento di una barriera energetica molto alta, forse troppo alta perché il modello possa essere ritenuto plausibile.

In tempi più recenti, si è quindi fatta strada una seconda teoria basata su un modello non convenzionale di nucleazione: le molecole si raggruppano prima in una “fase amorfa“, in cui sono disordinatamente ammassate tra di loro. A partire dallo stato amorfo, la formazione di un cristallo richiederebbe uno sbalzo energetico minore e il processo di cristallizzazione sarebbe dunque favorito.

 

Quale delle due è la teoria giusta?

Per testare queste teorie, i ricercatori del Weizman Institute of Science di Rehovot, in Israele, hanno studiato come avviene la cristallizzazione di molecole in soluzione. Il processo è stato seguito dall’occhio di un microscopio elettronico, il cui fascio di luce ha anche permesso di riscaldare la soluzione quel tanto che bastava per consentire lievi movimenti delle molecole. Calibrando attentamente la composizione di diverse soluzioni ioniche, gli scienziati sono riusciti a osservare in tempo reale la formazione di una “fase densa” amorfa e la successiva formazione di nuclei di cristallizzazione.

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L’immagine mostra la correlazione tra l’immagine al TEM e la struttura dei cristalli. La linea bianca in scala equivale a 10 nm (Foto credit: Weizman Institute of Science).

 

Da quanto osservato, gli scienziati hanno concluso che la formazione di cristalli si verifica sia in presenza sia in assenza di una fase amorfa intermedia: entrambe le teorie sono quindi valide. Tuttavia, la formazione di una fase amorfa abbassa di molto la barriera energetica ed è il presupposto per la creazione di cristalli più grandi e più stabili.

Grazie alla cristallografia ai raggi X, i ricercatori hanno confermato che, a livello molecolare, l’architettura finale dei cristalli ricalca quella dei primi nuclei di cristallizzazione, formati appena da alcune molecole. In altre parole, già dalle prime fasi è possibile prevedere la struttura definitiva del cristallo: questo dimostra un altro punto che rimaneva da chiarire, ovvero che le interazioni molecolari in gioco rimangono costanti durante tutto il processo di cristallizzazione.

 

Immagine Banner e Box: Paolo Infante, Wikimedia Commons

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