美国化学家表示，他们的新结果“反驳并取代了单个分子如何聚集形成晶体的主流观点”。休斯顿大学的Peter vekolov和他的同事提供了关于溶解分子如何在生长位点(称为扭结)上添加的基本见解。
休斯顿大学的Peter Vekilov说，他的团队的新结果“反驳并取代了单个分子如何聚集在一起形成晶体的主流观点”。
他们提供了新的证据，证明暂时的键能短暂地将分子与永久附着在晶体上的地方保持在不到一纳米的距离。这决定了晶体生长的容易程度和速度。vekolov告诉《化学世界》:“我们的革命性发现是，结合成扭结可能分两步发生，中间是一种中间状态。”如果被广泛接受，这将推翻现有的观点，即溶剂结合分子的强度对晶体生长速度起决定性作用。
晶体的生长速度反映了分子聚集成晶体和变大的容易程度。这些分子在未完成的同行的末端连接在一起，在20世纪20年代，德国研究人员首次将其称为半晶体位置或半晶体位置。至少从20世纪50年代开始，讲英语的科学家就把这些地方称为“怪癖”。
自从他在俄罗斯罗蒙诺索夫莫斯科大学亚历克斯·切尔诺夫的实验室发表硕士学位论文以来，vekolov已经思考了40年的这个过程。切尔诺夫提出了一个观点，即溶剂和溶解在其中的分子之间的非共价键的强度决定了由这些分子组成的晶体生长的速度。
在与切尔诺夫的合作中，韦克洛夫意识到溶解的溶质分子是如何到达扭结的，“掩盖和模糊了发生在微观长度尺度上的化学反应”。vekolov说:“到目前为止，深入了解的主要障碍是缺乏分子结合行为的数据，这与之前从溶液到生长部位的复杂运输动力学有关。”他补充说，现在是解决化学机制的时候了。
休斯顿大学的研究人员研究了四种不同溶剂(丁醇、己醇、辛醇和二甲氧基苯甲酸乙酯)如何结晶。原子力显微镜(AFM)可以提供纳米分辨率的图像，足够详细地描绘晶体中的单个分子，但速度不够快，无法产生晶体生长的影像。因此，Vekilov的团队使用不太详细的AFM和x射线衍射来拍摄更快的快照。这些方法捕捉到的定格动画显示了当分子从溶液中沉积下来时，乙卟啉I分子行边缘的移动。
乙卟啉I被用来研究晶体是如何一个分子一个分子地形成的
生长速率与乙卟啉I溶液的浓度成正比，表明一次只有一个分子沉积。如果一次沉积一个以上，随着浓度的增加，生长速度会快得多。
关于晶体生长的传统观点是，分子在溶剂中结晶得更快，因为溶剂与分子的结合不那么强。因此，乙炔卟啉I从丁醇中结晶速度最快，从二甲二甲醚、己醇和辛醇中结晶速度也差不多。相反，它在丁醇、辛醇和己醇中生长速度相同，在DMSO溶液中生长较慢。因此，卟啉I分子与溶剂的结合强度并不能决定晶体的生长速度。
休斯顿大学的研究人员认为，乙卟啉I分子直接从溶液中加入扭结，而不是从晶体表面的其他地方到达。这是因为紧靠在一起的扭结生长速度和分开的扭结一样快。如果分子从表面的其他地方到达，附近的扭结就会争夺它们，从而减慢生长速度。
为了了解乙卟啉I分子是如何从溶液中直接加入扭结的，vekolov的团队进行了计算分子动力学模拟。他们展示了这些分子暂时与晶体结合在一起，距离它们最终停留的位置0.4nm，溶剂填补了间隙。DMSO的晶体生长速度较慢，是因为与其他溶剂相比，更多的DMSO分子可以容纳在间隙中。这些二甲基亚砜分子自我定向，使中间状态更稳定。
一个溶解的乙卟啉I分子加入一个扭结。在左边，绿色的球体代表占据扭结的溶剂。在中间，分子形成中间状态，通过少量溶剂将其与扭结分离。最后，在右边，分子附着在晶体上。
马来西亚玛拉理工大学的Nornizar Anuar说，这些实验提供了“对扭结表面反应动力学的宝贵见解”。他们证明了“分子结合涉及到结晶过程中经典过渡态到新的中间态的重新定义”。
来自英国诺丁汉大学的凯伦·罗伯逊说:“从中获得的见解可以引导我们将晶体结构预测与实验方法结合起来。”她补充说，鉴定中间结构以及溶质分子如何影响它们的稳定性对寻求控制结构的结晶界来说特别有趣。
美国麻省理工学院的艾伦·迈尔森说，这项工作是“对晶体生长基本机制的优雅研究”。他同意，这将有助于“发展控制生长晶体的速度和形态的方法”。
Vekilov承认，这项研究并不能最终证明这种机制是普遍存在的，因为它只涉及一种物质。然而，他计划进行更多的实验，以提供进一步的支持证据。
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