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.
“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.
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