Новости химической науки > Как происходит образование кристаллов?

Любой химик-экспериментатор знает, как можно ускорить образование кристаллов – потереть стеклянной палочкой по внутренней стенке колбы, в которой содержится насыщенный раствор вещества, кристаллы которого мы хотим получить.

Исследователи из Великобритании более детально изучили процессы, протекающие на микроскопическом уровне при кристаллизации вещества.

Компьютерные расчеты показывают, что нуклеация протекает в удобном для роста кристаллов углублении-желобе с углом 70° (слева) быстрее, чем в углублении-желобе, угол которого составляет 45° (справа). (Рисунок из J. Am. Chem. Soc., 2009, DOI: 10.1021/ja9085512)

Кристаллическое состояние вещества отличается от жидкости наличием ближнего и дальнего порядка (для жидкости характерно наличие только ближнего порядка), естественно, что допущение о моментальном переходе от системы с ближним порядком к системе с дальним порядком весьма маловероятно.

Кристаллизация начинается с процесса нуклеации – образования небольших участков с дальним кристаллическим порядком. Эти участки служат зародышами для образования кристаллов большего размера. Нанесенные с помощью стеклянной палочки углубления различной формы на поверхности стекла выступают в роли участков активной нуклеации, ускоряя процесс кристаллизации в целом.

Уже несколько десятков лет химикам известно, что граница раздела фаз между кристаллическим состоянием вещества и жидким нестабильна, а дефекты поверхности, как, например, длинные углубления-желоба способствуют уменьшению площади границы раздела фаз.

Для получения большей информации о влиянии формы дефектов поверхности на процесс нуклеации специалисты в области физической химии из Университета Суррея Аманда Пейдж (Amanda Page) и Ричард Шор (Richard Sear) провели компьютерное исследование поведения атомов аргона или молекул метана в V-образных углублениях-желобах, определив, какая форма желоба приводит к наибольшей скорости нуклеации. Было обнаружено, что для нуклеации аргона и метана оптимальным является угол желоба 70°, в углублениях с таким углом нуклеация происходит со скоростью в 48 раз большей, чем на плоской поверхности.

Исследователи обнаружили, что влияние угла дефекта поверхности на скорость нуклеации обусловлено необходимостью соответствия формы этого дефекта и формы растущего в дефекте-углублении кристалла. Например, изученные в рамках исследования аргон и метан при кристаллизации образуют гранецентрированную кубическую решётку, соответствующую по форме углублениям с семидесятиградусным «V-клином». Канавки-дефекты, угол клина которых меньше (например, 45°) не соответствуют по форме растущему кристаллу, препятствуют образованию кристаллов правильной форму и замедляют нуклеацию.

Специалист по теоретической химии из Университета Сиднея Питер Харроуэл (Peter Harrowell) отмечает, что влияние формы дефектов поверхности на скорость и качество растущих кристаллов можно в очередной раз считать подтверждением принципа Бритвы Оккама (природа не любит сложных решений). Так, для успешной кристаллизации простых молекул необходимо всего лишь, чтобы форма дефектов поверхности для нуклеации соответствовала форме растущего кристалла.

Шор поясняет, что семидесятиградусный угол канавки не является идеальным шаблоном для всех без исключения молекул. Некоторые соединения со сложной структурой, например, лекарственные препараты, могут кристаллизоваться с образованием нескольких типов кристаллических форм. Это обстоятельство может использоваться на практике – так как разные кристаллические формы одного и того же вещества могут характеризоваться различной растворимостью, можно принудительно ускорять кристаллизацию одной из нескольких кристаллических форм, проводя процесс кристаллизации в реакторах со специально нанесенными на поверхность нанодефектами, форма которых комплементарна форме кристаллов, представляющих практический интерес.

Источник: J. Am. Chem. Soc., 2009, DOI: 10.1021/ja9085512

метки статьи: #квантовая химия, #физическая химия, #химия поверхности