logo-print

Nieuws en Pers

Theorie van kristalvorming weer compleet

  • 20 februari 2013
Nico Sommerdijk. Foto: Bart van Overbeeke.

Hoe een kristal precies kan ontstaan uit een oplossing houdt wetenschappers al decennia lang bezig. Onderzoekers van de TU Eindhoven presenteren nu, samen met Duitse en Amerikaanse onderzoekers, het ontbrekende stukje. De theorie voor kristalvorming, alom vertegenwoordigd in de natuur en de chemische industrie, lag enige jaren onder vuur maar lijkt nu weer gered. Het team bereikte deze doorbraak door de kristallisatie van het mineraal calciumfosfaat – waaruit onze botten zijn opgebouwd – tot in detail te bestuderen. Het team publiceerde er gisteren over in het online tijdschrift Nature Communications.

Bij kristallisatie ontstaat simpel gezegd een stof in vaste vorm, zoals bijvoorbeeld gebeurt bij het bevriezen van water. In de natuur ontstaan kristallen vooral uit ionen die zijn opgelost in water, zoals het geval is bij de vorming van schelpen of bot. Daarbij klonteren ionen samen tot steeds grotere kernen totdat bij een bepaalde grootte een kristal ontstaat. De details van dit groeiproces zijn echter al jaren onderwerp van discussie. 

Ophef
Volgens de bestaande theorieën zijn het individuele ionen die samenklonteren tot een kristalkern. Maar in 2009 toonden chemici onder leiding van dr. Nico Sommerdijk (TU/e) in het groeiproces van calciumcarbonaat een extra tussenstap aan. De ionen zouden eerst kleine clusters vormen, voordat hieruit kristalkernen ontstonden. De vondst, die de cover van Science haalde, veroorzaakte grote ophef aangezien het een gat leek te slaan in de oude kristaltheorieën, waarin voor een dergelijke tussenstap geen plaats is.

Cryo-elektronenmicroscoop
Nu komt Sommerdijk op zijn conclusies terug. Althans, het blijkt subtieler te liggen dan gedacht. Samen met onderzoekers van het Duitse Max Planck Instituut en het Amerikaanse Lawrence Berkeley National Laboratory onderzocht hij uitvoeriger de rol van deze zogenoemde pre-nucleatieclusters bij de vorming van het mineraal calciumfosfaat. Met een cryo-elektronenmicroscoop, een apparaat dat afbeeldingen maakt van diepgevroren monsters, ontrafelde hij de precieze bestanddelen van de clusters en kon hij het groeiproces in detail bestuderen.

Valse start
In het artikel in Nature Communications concludeert Sommerdijk dat de clusters geen afgebakende tussenstap vormen, maar onderdeel zijn van een geleidelijk groeiproces. Sommerdijk duidt de vorming van clusters als een ‘valse start’ van de ionen, omdat die zich in oplossing alvast stapsgewijs organiseren zonder direct een groeikern te vormen. Op basis van de nieuwe inzichten hoeven de bestaande theorieën niet meer op de schop. Het team van Sommerdijk maakt de theorie nu compleet met de beschrijving van alternatieve ‘paden’ waarlangs zich een kristal kan vormen. In een tweede studie naar de kristalvorming van het mineraal magnetiet – deze maand online verschenen in Nature Materials - zag Sommerdijk zijn nieuwe conclusies bevestigd. Beide publicaties komen voort uit onderzoek dat door NWO gefinancierd is met een Vici-subsidie vanuit de Vernieuwingsimpuls.

Onenigheid
In de afgelopen jaren waren zowel de rol als de samenstelling van de pre-nucleatieclusters het onderwerp van intense wetenschappelijke discussies, zoals ook afgelopen zomer gedurende de prestigieuze Faraday Discussions. Ook binnen het team ontstond onenigheid over Sommerdijks nieuwe interpretatie. Een aantal teamleden hield vast aan het originele scenario, zelfs nadat tal van nieuwe experimenten bevestigden dat de clusters niet de samenstelling en rol hadden die eerder was voorgesteld. Uiteindelijk werd besloten het artikel dat na vier jaar experimenteren en verfijnen uiteindelijk bijna honderd pagina’s besloeg, in te dienen zonder de teamleden die de nieuwe inzichten niet konden accepteren.

Toepassingen
Volgens Sommerdijk zijn de belangrijkste vragen rond de vorming van kristallen nu beantwoord. Deze theoretische kennis is op allerlei terreinen van belang, aangezien kristallisatie alom vertegenwoordigd is in de natuur en de chemische industrie. Denk aan de vorming van koraal in de zee, de productie van medicijnen of het ontwerpen van nanodeeltjes. Het kan bijvoorbeeld helpen productieprocessen goedkoper, sneller of energiezuiniger te maken.

Het artikel ‘Ion-association complexes unite classical and non-classical theories for the biomimetic nucleation of calcium phosphate’ verscheen 19 februari bij Nature Communications, DOI 10.1038/ncomms2490. 

Het artikel ‘Nucleation and growth of magnetite from solution’, waar Nico Sommerdijk ook bij betrokken was, verscheen 3 februari online bij Nature Materials, DOI 10.1038/nmat3558.