Een nieuwe kristallisatietheorie toont aan dat het oplosmiddel, en niet de opgeloste stof, bepaalt hoe kristallen gevormd worden. Dit proces in twee stappen verbetert de voorspellingen van kristalgroei en heeft praktische toepassingen in vakgebieden zoals geneeskunde en technologie.
Herinner je je dat scheikunde-experiment op de middelbare school waarbij zoutkristallen ontstonden uit een zoutoplossing, of dat waarbij suiker uit suikerwater kristalliseerde tot suikergoed? Het blijkt dat ons begrip van hoe kristallen in die oplossingen ontstaan, misschien niet klopt.
Een nieuwe theorie “verheldert” het kristallisatieproces en toont aan dat de dominante component in een oplossing het materiaal is dat kristalliseert – in dit geval het oplosmiddel, niet de opgeloste stof. Deze theorie kan gevolgen hebben voor diverse gebieden, van medicijnontwikkeling tot klimaatonderzoek.
“Kristallen zijn overal – we gebruiken ze in alles, van technologie tot medicijnen – maar ons begrip van het kristallisatieproces is altijd beperkt geweest,” zegt James Martin, hoogleraar chemie aan de North Carolina State University en auteur van een artikel in Matter waarin de theorie wordt beschreven.
Terug naar de Scheikundeles op de Middelbare School
“De heersende ideeën over oplossen en neerslaan beschouwen deze processen als elkaars omgekeerde, maar dat klopt niet. In werkelijkheid zijn het compleet verschillende processen,” zegt Martin.
“Neem bijvoorbeeld het klassieke experiment om een neerslag te verkrijgen uit een oplossing: wanneer ik zout (de opgeloste stof) oplos in water (het oplosmiddel), is het water de dominante component. Het water lost het zout op door het als het ware uit elkaar te trekken,” legt Martin uit. “Als ik vervolgens een zoutkristal uit die oplossing wil laten groeien, moet de dominante fase het zout worden – in feite het oplosmiddel in dat geval – en dat vormt dan het kristal.”
Thermodynamische fasediagrammen, die overgangspunten in oplossingen beschrijven op basis van concentratie en temperatuur, kunnen worden gebruikt om de nieuwe theorie te illustreren, die de overgangszone-theorie wordt genoemd.
De theorie laat zien dat kristallisatie in twee stappen verloopt: eerst vormt zich een smeltachtige tussenvorm, die vervolgens kan ordenen tot een kristalstructuur.
“Om een kristal te laten groeien vanuit een oplossing, moet je snel het oplosmiddel en de opgeloste stof scheiden,” legt Martin uit. “Met ‘smelt’ bedoelen we hier de pure fase van het oplosmiddel voordat de kristalvorming begint. Het verschil is dat mijn theorie aantoont dat je betere en snellere kristalgroei bereikt door de oplossing af te stemmen op omstandigheden die het oplosmiddel benadrukken; met andere woorden, het oplosmiddel – en niet de verontreiniging daarin – bepaalt de snelheid van de kristalgroei.”
Toepassingen en Praktische Gevolgen
Martin paste zijn theorie toe op verschillende oplossingen, concentraties en temperaturen, en ontdekte dat deze nauwkeurig de snelheid en omvang van kristalvorming beschrijft.
“Het belangrijkste probleem met eerdere beschrijvingen van kristallisatie was de aanname dat kristallen groeien doordat losse deeltjes van de opgeloste stof naar een groeiend kristal diffunderen en zich daaraan hechten,” zegt Martin. “In plaats daarvan is het noodzakelijk om de gezamenlijke structuren van het oplosmiddel te begrijpen om kristalgroei te beschrijven.”
Volgens Martin ligt het essentiële aspect van de nieuwe theorie in het begrijpen van hoe verontreinigingen van de opgeloste stof deze samenhangende structuur van het oplosmiddel verstoren.
“Door de wisselwerking tussen temperatuur en concentratie te doorgronden, kunnen we precies voorspellen hoe snel en hoe groot kristallen uit een oplossing zullen groeien.”
Martin gelooft dat de fasediagrammen waardevolle toepassingen kunnen hebben voor zowel het bevorderen van kristalvorming als het voorkomen ervan, zoals bij het voorkomen van de vorming van nierstenen.
“Kristallen vormen de basis van technologie – ze zijn overal om ons heen en beïnvloeden ons dagelijks leven,” zegt Martin. “Deze theorie geeft onderzoekers eenvoudige tools om de ‘magie’ van kristalgroei te begrijpen en nauwkeurigere voorspellingen te doen. Het laat zien hoe fundamentele wetenschap de basis legt voor oplossingen van allerlei praktische problemen.”
Geraadpleegde bronnen:
- “Solutes don’t crystallize! Insights from phase diagrams demystify the ‘magic’ of crystallization” door James D. Martin, 2 oktober 2024, Matter. DOI: 10.1016/j.matt.2024.08.011
Ook lezen:
Veelgestelde vragen
Wat houdt de nieuwe kristallisatietheorie precies in?
De nieuwe theorie stelt dat het oplosmiddel, niet de opgeloste stof, de belangrijkste factor is bij kristalvorming. Dit betekent dat de omgeving van het oplosmiddel kristalgroei meer beïnvloedt dan gedacht.
Wat zijn de praktische toepassingen van deze kristallisatietheorie?
De theorie kan toepassingen hebben in geneeskunde, bijvoorbeeld bij het voorkomen van nierstenen, en in technologie, waar nauwkeurige kristalgroei belangrijk is voor materialen zoals halfgeleiders.
Hoe verschilt deze theorie van het traditionele begrip van kristallisatie?
Traditionele theorieën gingen ervan uit dat kristallen ontstaan door het hechten van losse deeltjes van de opgeloste stof. In plaats daarvan legt deze theorie de nadruk op de rol van het oplosmiddel bij het vormen van de kristalstructuur.
Like ons op Facebook om meer artikelen zoals deze in je feed te zien verschijnen die je anders zou missen.
