De Dame Nature à nos appareils indispensables, nous sommes entourés de cristaux. Ceux de la courtoisie de l'ancien, comme la glace et la neige, peut se former spontanément et symétriquement. Mais les cristaux à base de silicium ou de nitrure de gallium trouvés dans les LED et autres appareils électroniques nécessitent un peu de cajolerie pour atteindre leurs formes et alignements idéaux.

À l'UC Santa Barbara, les chercheurs ont maintenant débloqué une autre pièce du puzzle théorique qui régit la croissance des cristaux, un développement qui peut économiser du temps et de l'énergie dans les nombreux processus qui nécessitent la formation de cristaux.

« La façon dont la plupart des processus industriels sont conçus aujourd'hui consiste à effectuer un nombre extrêmement important d'expériences pour découvrir comment les cristaux se développent et à quelle vitesse ils se développent dans différentes conditions, " a déclaré l'ingénieur chimiste de l'UCSB Michael Doherty, l'auteur d'un article paru dans le Actes de l'Académie nationale des sciences . Flocons de neige, par exemple, se forment différemment en tombant, en fonction de conditions variables telles que la température et l'humidité, d'où la croyance largement répandue qu'il n'y a pas deux pareils. Après avoir déterminé les conditions optimales pour la croissance du cristal de choix, L'équipement ajouté par Doherty doit être conçu et calibré pour fournir un environnement de croissance cohérent.

Cependant, en mettant en commun des décennies d'expertise, Doherty, avec le collègue de l'UCSB Baron Peters et l'ancien étudiant diplômé Mark Joswiak (maintenant chez Dow Chemical) ont développé une méthode de calcul pour aider à prédire les taux de croissance des cristaux ioniques dans différentes circonstances. En utilisant un cristal relativement simple, le chlorure de sodium (NaCl, plus familièrement connu sous le nom de sel de table) - dans l'eau, les chercheurs ont jeté les bases de l'analyse de cristaux plus complexes.

Les cristaux ioniques peuvent apparaître à l'œil nu - et même sous un certain grossissement - être constitués de faces parfaitement lisses et uniformes. Mais regardez de plus près et vous constaterez souvent qu'ils contiennent en fait des caractéristiques de surface qui influencent leur capacité à se développer, et les formes plus grandes qu'ils prennent.

"Il y a des luxations et autour des luxations il y a des spirales, et autour des spirales il y a des bords, et sur les bords il y a des plis, " Peters a dit, "et chaque niveau nécessite une théorie pour décrire le nombre de ces caractéristiques et les taux auxquels ils changent." A la plus petite échelle, les ions en solution ne peuvent pas s'attacher facilement au cristal en croissance car les molécules d'eau qui solvatent (interagissent avec) les ions ne sont pas facilement délogées, il a dit. Avec autant de processus se produisant à autant d'échelles, il est facile de voir à quel point il peut être difficile de prédire la croissance d'un cristal.

« Le plus grand défi consistait à appliquer les différentes techniques et méthodes à un nouveau problème :examiner la fixation et le détachement des ions sur les sites de pliure de surface, où il y a un manque de symétrie couplé à de fortes interactions ion-eau, " dit Joswiak. " Cependant, comme nous avons rencontré des problèmes et trouvé des solutions, nous avons obtenu des informations supplémentaires sur les processus, le rôle des molécules d'eau et les différences entre les ions sodium et chlorure."

Parmi leurs idées :la taille des ions compte. Les chercheurs ont découvert qu'en raison de sa taille, le plus gros ion chlorure (Cl-) empêche l'eau d'accéder aux sites de pliage pendant le détachement, limiter la vitesse globale de dissolution du chlorure de sodium dans l'eau.

"Vous devez trouver un système de coordonnées spécial qui peut révéler ces réarrangements spéciaux de solvant qui créent une ouverture pour que l'ion glisse à travers la cage de solvant et se verrouille sur le site de pliage, ", a déclaré Peters. "Nous avons démontré qu'au moins pour le chlorure de sodium, nous pouvons enfin donner une réponse concrète."

Ce développement de preuve de concept est le résultat de l'expertise du groupe Doherty avec les procédés de cristallisation couplée à l'expertise du groupe Peters dans les "événements rares" - des phénomènes relativement rares et de courte durée mais très significatifs (tels que des réactions) qui modifient fondamentalement l'état du système. En utilisant une méthode appelée échantillonnage de chemin de transition, les chercheurs ont pu comprendre les événements qui ont conduit à l'état de transition. La stratégie et les connaissances mécaniques des travaux sur le chlorure de sodium fournissent un modèle pour prédire les taux de croissance dans la synthèse des matériaux, pharmaceutiques et biominéralisation.