Resolvido antigo mistério sobre a formação dos cristais

Redação do Site Inovação Tecnológica - 08/04/2024

Até hoje não sabíamos como as moléculas entram na densa rede atômica de um cristal para ajudá-lo a crescer.
[Imagem: Criado por IA/Designer Copilot]

Como os cristais se formam?

Desde a pré-história temos uma verdadeira fascinação pelos cristais: Além de belíssimos, eles não se parecem com nenhuma outra coisa com que nossos ancestrais de deparavam na natureza, parecendo mesmo serem "coisas de outro mundo".

Continuamos a nos maravilhar com eles, mas hoje já sabemos não apenas fabricar alguns quase tão belos quando os naturais, como também tirar proveito dos cristais para muitas coisas, de células solares e semicondutores, até catalisadores, elementos ópticos e cura para doenças como a malária.

Assim, é até um pouco surpreendente que os historiadores que pensarem em criar uma linha do tempo de fascínio pelos cristais, que já abrange mais de um milhão de anos, vão precisar marcar um evento no início de 2024. Este foi o momento em que a Rajshree Chakrabarti e colegas da Universidade de Houston, nos EUA, finalmente conseguiram explicar como os cristais se formam e como as moléculas se ajeitam para fazer parte deles.

"Durante décadas, os pesquisadores do crescimento de cristais sonharam em elucidar a reação química entre as moléculas que chegam e os locais únicos na superfície do cristal que as aceitam, as torções [defeitos angulares]," contextualizou o professor Peter Vekilov. "O mecanismo dessa reação, ou seja, a escala de tempo e a escala de comprimento características, os possíveis intermediários e suas estabilidades, permaneceu indefinido e sujeito a especulação por mais de 60 anos."

Cristal de dihidrogenofosfato de potássio (KDP) estudado pelos pesquisadores.
[Imagem: University of Houston]

Estado intermediário crucial

O principal obstáculo para uma compreensão mais profunda do processo de formação dos cristais tem sido a falta de dados sobre como as moléculas se unem à rede cristalina, uma vez que o processo de sua passagem da solução em se encontram até onde elas passam a fazer parte do crescimento do cristal é muito complicado.

Para desvendar a reação química entre uma molécula que se dissolve em líquido (soluto) e uma torção cristalográfica, a equipe lançou mão de duas estratégias transformacionais, uma utilizando pares orgânicos completos e outra utilizando quatro solventes com estruturas e funções distintas. Mais importante ainda foi o processo de monitorar detalhadamente o que estava acontecendo, o que exigiu técnicas de última geração, incluindo microscopia de força atômica in situ resolvida no tempo com resolução quase molecular, difração de raios X, espectroscopia de absorção e microscopia eletrônica de varredura.

Deu mais trabalho do que achar um belo cristal enterrado no solo, mas a descoberta apareceu reluzente: A incorporação das moléculas ocorre em duas etapas divididas por um estado intermediário, sendo que a estabilidade desse estado intermediário é fundamental na forma como os cristais crescem. Basicamente, é o estado intermediário que "decide" quão rápido ou lento os cristais irão se formar, já que afeta a facilidade com que as coisas podem se juntar durante o processo.

Usos práticos

Esta nova compreensão já está ajudando a explicar resultados observacionais, como o fato de que pequenas partes de um líquido influenciam as formas detalhadas dos cristais encontrados na natureza. E deverá ajudar muito mais, da síntese de diamantes sintéticos à cristalização de substâncias para novos medicamentos.

"Igualmente importante, este paradigma orientará a busca por solventes e aditivos que estabilizem o estado intermediário para retardar o crescimento de, por exemplo, polimorfos indesejados," disse Vekilov - polimorfos são cristais que apresentam a mesma composição química, mas diferentes estruturas cristalinas, como o grafite e o diamante, por exemplo.

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