Найдена разгадка вековой тайны образования кристаллов

Миллион лет назад старейший известный вид, способный ходить прямо, как человек, Homo Erectus, испытывал сходное с нами увлечение кристаллами. Историки могут назвать возможные причины – кристаллы не были похожи ни на что, что было вокруг в то время – деревья, долины, горы. Они были материалом для размышлений, занимательным занятием для ума. 

По сей день увлеченность человечества магией кристаллов продолжает занимать умы ученых, которые разработали способы использования кристаллов для самых разных целей – от лечения малярии до солнечных батарей и полупроводников, катализаторов и оптических элементов. С течением времени кристаллы стали важнейшей составляющей технологий, обеспечивающих существование современной цивилизации.   

Историки, создающие хронологию увлечения кристаллами и их изучения на протяжении миллиона лет, отметят 2024 год как время, когда исследователь Хьюстонского университета Петр Векилов и профессор химической и биомолекулярной инженерии Фрэнк Уорли опубликовали в PNAS ответ на вопрос, как образуются кристаллы и как молекулы становятся их частью, сообщается на сайте университета.

«На протяжении десятилетий исследователи роста кристаллов мечтали выяснить химическую реакцию между входящими молекулами и уникальными участками на поверхности кристалла, которые их принимают, – перегибами», – говорит Векилов.

Механизм этой реакции, то есть характерный масштаб времени и длины, возможные промежуточные продукты и их стабильность, оставались неуловимыми и являлись предметом спекуляций уже более 60 лет. Главным препятствием на пути к более глубокому пониманию было отсутствие данных о том, как молекулы соединяются между собой, что связано со сложным процессом перемещения из раствора к месту их роста.

Чтобы разгадать химическую реакцию между молекулой, растворяющейся в жидкости (растворителем), и перегибом, Векилов задействовал две стратегии преобразования: одну – с использованием полных органических пар и вторую – с использованием 4 растворителей с различными структурами и функциями.

Работая с молекулами, он объединил самые современные экспериментальные методы, включая атомно-силовую микроскопию с разрешением, близким к молекулярному, рентгеновскую дифракцию, абсорбционную спектроскопию и сканирующую электронную микроскопию.

Именно тогда Векилов сделал революционное открытие: внедрение в перегибы может происходить в два этапа, разделенных промежуточным состоянием, и стабильность этого промежуточного состояния является ключевым фактором в росте кристаллов. По сути, оно решает, насколько быстро или медленно формируются кристаллы, поскольку влияет на то, как легко они могут соединяться в процессе. 

«Представления о промежуточном состоянии и его решающей роли в росте кристаллов опровергают и заменяют господствующую в этой области идею А.А. Чернова, моего научного руководителя, о том, что активационный барьер роста определяется взаимодействием растворителя и раствора в основной массе раствора», – говорит он.

Новая парадигма двухступенчатой инкорпорации, опосредованной промежуточным состоянием, может помочь в понимании того, как небольшие частицы в жидкости могут влиять на детальные формы кристаллов, встречающихся в природе.

«Не менее важно, что эта парадигма поможет найти растворители и добавки, которые стабилизируют промежуточное состояние, чтобы замедлить рост, например, нежелательных полиморфов», – говорит Векилов.

[Фото: University of Houston]