Het vormen van kristallen is een onmisbare stap voor de productie van medicijnen, meststoffen, lasers en chocolade. In deze blog neem ik je mee naar de intrigerende wereld van kristallisatie: waar moleculen in het geheim feestjes geven, maar wetenschappers helaas niet welkom zijn.
'Wat zijn die geniepigaards nu weer van plan?' De gedachte schiet door mijn hoofd terwijl ik voor de zoveelste keer mijn experimentele setup check. 'Waarom moet dat nu toch weer zo lang duren?' Ik verlies bijna mijn geduld, en beslis dan maar om nog eens al de parameters van mijn reactor te controleren. Jawel, alles is exact hetzelfde als in het vorige experiment. Terwijl het de vorige keer slechts enkele minuten duurde voordat de eerste kristallen verschenen, zit ik hier nu al meer dan twee uur te wachten op een eerste teken van leven. 'Dat wordt opnieuw een lange labo-avond… dankjewel kristallen.'
Gezocht: tovenaar/wetenschapper
Voor wie het nog niet helemaal doorhad: ik doe experimenteel onderzoek naar de vorming van kristallen. En als er één iets is dat ik geleerd heb de afgelopen jaren, is dat je als kristalonderzoeker heel veel geduld moet hebben. Kristallisatie wordt dan ook vaak al lachend als ‘zwarte magie’ omschreven. Het ergste is dat ik schoorvoetend akkoord moet gaan met die uitspraak. Wetenschappers van over heel de wereld zijn immers al sinds het begin van de vorige eeuw druk op zoek naar hoe kristallen precies ontstaan… met verbazingwekkend weinig succes. Het doorgronden en fundamenteel begrijpen van het kristallisatieproces blijkt een extreem moeilijke wetenschappelijke noot om te kraken.
Het grootste probleem is de onvoorspelbaarheid van het hele gebeuren. Het is quasi onmogelijk te voorspellen waar en wanneer de eerste kristallen zullen verschijnen, laat staan welke eigenschappen die kristallen dan wel zullen hebben. De voornaamste reden hiervoor is dat kristallisatie altijd op een moleculaire schaal plaatsvindt: veel te klein dus om met het blote oog te kunnen zien.
What happens in Vegas, stays in Vegas
Een finaal kristalstructuur wordt bepaald op het moment dat een eerste groep moleculen beslist om zich te ordenen als een beginnende kristal, een zogeheten ‘nucleus’. Deze ‘nucleus’ groeit vervolgens uit tot een volledig kristal, waardoor het uiteindelijk met het blote oog zichtbaar wordt in de reactor. De sleutel tot het ontrafelen van kristallisatie ligt dus in het uitvogelen wat voor iets zo’n ‘nucleus’ precies is.
Maar daar zit nu net het probleem. Het is alsof de moleculen die deel uitmaken van zo’n ‘nucleus’ een heel privaat feestje geven. Slechts een heel select groepje moleculen is uitgenodigd… en alleen zij weten waar en wanneer het evenement van het jaar plaatsvindt.
En wat een feest dat het is. De vorming van een eerste kristal uit een vloeibaar mengsel heeft veel weg van een klein mirakel: compleet onverwacht en onverklaarbaar. Alles in vloeistof is pure chaos. Moleculen zijn continu in beweging en vliegen aan hoge snelheid langs elkaar. Te midden al deze activiteit beslissen een paar moleculen dan om spontaan een perfect geordende driedimensionale structuur op te bouwen. Compleet contra-intuïtief dus. Het is alsof je een wolkenkrabber zou aantreffen in het midden van de diepe woestijn.
Soms moet je wat geluk hebben
Onderzoekers van kristallisatie willen maar al te graag onuitgenodigd op dit feestje verschijnen met allerlei analysemethodes, maar dan moeten ze eerst weten waar en wanneer ze moeten zijn. Het kan dan wel lijken alsof die eerste ‘nucleus’ moleculen expres de plaats en tijd van hun evenement geheim houden, maar in feite zijn ze gewoon onderhevig aan natuurkundige wetten. Doordat de moleculen in een chemische reactor continu rondvliegen, creëren en breken ze telkens interacties met andere naburige moleculen. Slechts wanneer voldoende moleculen de handen in elkaar slaan, wordt het langverwachte feestje werkelijkheid.
Dat verklaart waarom het vaak wachten geblazen is. Ofwel heb je geluk en vinden voldoende moleculen elkaar direct, met de vorming van een ‘nucleus’ en dus ook kristallisatie tot gevolg. Ofwel heb je pech en kan je uren zitten wachten zonder iets te zien veranderen. Om dezelfde reden is het dus ook onmogelijk om de locatie te voorspellen van waar exact in de vloeibare oplossing de vorming van deze eerste ‘nucleus’ plaatsvindt.
Meer dan enkel mooie plaatjes
Allemaal goed en wel, maar in welke context kunnen we deze kennis nu toepassen? Je staat er waarschijnlijk niet altijd bij stil, maar kristallen komen terug in heel veel facetten van ons dagelijks leven. Laat me een paar voorbeelden geven.
Medicatie. Als er één producttype onderhevig is aan extreem strenge kwaliteitseisen, dan zijn het wel medicijnen. Een gewenste puurheid van meer dan 99.9% voor de actieve component is verre van een uitzondering. Om aan deze strenge vereisten te voldoen, vallen onderzoekers regelmatig terug op kristallisatie. Niet enkel zijn kristallen van nature heel puur (enkel de juiste moleculen zijn uitgenodigd op het feestje), maar ze kunnen ook gemakkelijk uit de vloeibare oplossing gefilterd worden. De volgende keer dat je een pil of poeder ziet in je medicijnkastje, kijk je dus naar het resultaat van een kristallisatieproces.
Meststoffen. Onze huidige voedselvoorziening staat of valt met het gebruik van meststoffen op onze akkers. Nitraten, fosfaten, sulfaten en tal van andere agrochemicaliën worden standaard gekristalliseerd. Dit vergemakkelijkt het verschepen ervan over de hele wereld, maar helpt ook om een accuratere dosering op het veld zelf te krijgen. Als we er niet in zouden slagen deze meststoffen in kristalvorm te krijgen, zitten we met een serieus probleem voor de globale voedselvoorziening.
Lasers. Gevormde kristallen zijn niet altijd het eindproduct: ze kunnen ook deel uitmaken van andere technologische toepassingen. Zo vind je in elke laser of optische opstelling ultra pure kristallen, noodzakelijk om gewenste eigenschappen van de laserstraal (bv. polarisatie) te bekomen. Waar de kristallen uit de vorige twee voorbeelden typisch heel klein zijn (enkele mm tot zelfs µm), bevatten lasers telkens grote kristallen (enkele cm).
Chocolade. Zelfs ons voedsel zelf is vaak kristallijn: de vetten van cacao moeten ook gekristalliseerd worden. Meer zelfs, wordt dit niet op de juiste manier gedaan, dan krijgt chocolade zijn gewenste glans niet en is het befaamde ‘krakse’ afwezig. De procedure van het tempereren van chocolade zorgt ervoor dat de cacaovetten de gewenste kristallen vormen. Zo zie je maar dat kristallen niet enkel mooi en nuttig, maar ook lekker kunnen zijn.
Ondertussen zijn de eerste kristallen verschenen in mijn reactor. 'Ah eindelijk, daar zijn jullie!' Ik zucht nog een laatste keer diep, deze keer eerder van oplichting dan van frustratie. 'Moest dat nu echt weer zo lang duren? Ik begon al ongerust te worden.' Ondanks de vermoeidheid kan ik toch moeilijk een grijns onderdrukken. Ja, die kristallen van mij… het zijn soms lastpakjes. En toch kan ik niet ontkennen dat ik ergens ook wel trots op hen ben. 'Hoe doen ze dat nu toch?' Telkens wanneer ik kristallen zie verschijnen in mijn reactor, realiseer ik me dat er kleine mirakeltjes hebben plaatsgevonden. Gewoon recht voor mijn neus, terwijl ik er sta op te kijken. Je zou voor minder eens een paar extra minuten in het labo doorbrengen!
