La cristallisation est un processus chimique très basique :les écoliers peuvent en être témoins de leurs propres yeux. Mais les scientifiques n'avaient pas, jusqu'à maintenant, pu observer ce processus au niveau moléculaire - c'est-à-dire l'instant où les molécules surmontent leurs tendances à flotter individuellement dans une solution liquide et à prendre leur place dans le réseau rigide d'une structure cristalline solide. Des chercheurs de l'Institut des sciences Weizmann ont, pour la première fois, observé directement le processus de cristallisation au niveau moléculaire, valider certaines théories récentes sur la cristallisation, ainsi que de montrer que si l'on sait comment le cristal commence à croître, on peut prédire la structure finale.

La recherche a eu lieu dans le laboratoire du professeur Ronny Neumann du département de chimie organique de l'institut Weizmann. Neumann explique que pour se lier les uns aux autres, les molécules doivent surmonter une barrière énergétique :« La théorie prédominante était que les contacts aléatoires entre les molécules conduisent à des liaisons, créant éventuellement de petits amas qui deviennent des noyaux pour la croissance de cristaux plus gros. Mais les molécules, qui se déplacent aléatoirement en solution, doit être correctement aligné pour cristalliser. Ces dernières années, les chercheurs ont commencé à penser que ce processus pourrait présenter une barrière énergétique trop élevée."

Les théories proposées au cours des dernières décennies suggèrent que si les molécules devaient se rassembler dans une phase dite dense, dans lequel ils s'agrègent dans un état semblable à la sardine - rapprochés mais non organisés - puis cristallisent à partir de cet état, la barrière énergétique serait plus basse. Pour tester les théories, Neumann et le doctorant Roy Schreiber ont créé de grands, molécules rigides et les a gelées en solution. Ils ont ensuite placé la solution congelée sous un faisceau de microscope électronique qui a réchauffé le mélange juste assez pour permettre un certain mouvement, et donc des interactions entre les molécules. L'ajustement de la composition de la solution en ajoutant différents ions a permis aux scientifiques de produire une cristallisation avec et sans phases denses; pour la première fois, aidé par les Drs. Lothar Houben et Sharon Wolf de l'Unité de Microscopie Electronique, ils ont pu observer la formation de phases denses puis leur transformation en noyaux cristallins.

Alors que les deux états ont donné des cristaux, les résultats expérimentaux ont montré que lorsque des phases denses se forment, la barrière énergétique à la formation d'un ordre, l'arrangement cristallin des molécules est, comme la théorie l'avait prédit, inférieur.

Les scientifiques ont également découvert que la croissance résultant des phases denses entraîne une plus grande, noyaux cristallins plus stables. En outre, ils ont découvert que l'arrangement des molécules dans les cristaux entièrement développés, qu'ils ont déterminé par cristallographie aux rayons X avec l'aide du Dr Gregory Leitus de Chemical Research Support, était en bon accord avec celui des petits amas de quelques molécules dans les noyaux d'origine. "Cela signifie que les forces et les facteurs qui déterminent le processus sont constants tout au long de la croissance du cristal, " dit Neumann.

"Nous avons vraiment observé un événement élémentaire dans le monde de la chimie, " dit Neumann. " Les résultats nous conduisent également à de nouvelles enquêtes dans ce domaine, en examinant les effets et l'importance des phases denses sur la réactivité chimique. »