26.04.2022 - Université de Genève

Imágenes revolucionarias del nacimiento de los cristales

Un equipo de la UNIGE ha conseguido visualizar la nucleación de los cristales -la etapa que precede a la cristalización- que hasta ahora era invisible

En la interfaz entre la química y la física, el proceso de cristalización está omnipresente en la naturaleza y la industria. Es la base de la formación de los copos de nieve, pero también de ciertos principios activos utilizados en farmacología. Para que el fenómeno se produzca en una sustancia determinada, ésta debe pasar primero por una etapa llamada de nucleación, durante la cual las moléculas se organizan y crean las condiciones óptimas para la formación de cristales. Aunque ha sido difícil observar esta dinámica de prenucleación, este proceso clave ha sido revelado ahora por el trabajo de un equipo de investigación de la Universidad de Ginebra (UNIGE). Los científicos han conseguido visualizar este proceso espectroscópicamente en tiempo real y a escala micrométrica, lo que abre el camino al diseño de sustancias activas más seguras y estables. Estos resultados se pueden encontrar en la revista Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS).

La cristalización es un proceso químico y físico utilizado en muchos campos, desde la industria farmacéutica hasta el procesamiento de alimentos. Se utiliza para aislar una sustancia gaseosa o líquida en forma de cristales. Sin embargo, este fenómeno no es exclusivo de la industria; es omnipresente en la naturaleza y puede verse, por ejemplo, en los copos de nieve, el coral o los cálculos renales.

Para que los cristales se formen a partir de sustancias, primero deben pasar por una etapa crucial llamada nucleación. Es durante esta primera fase cuando las moléculas comienzan a organizarse para formar "núcleos", agrupaciones estables de moléculas, que conducen al desarrollo y crecimiento del cristal. Este proceso ocurre de forma estocástica, lo que significa que no se puede predecir cuándo y dónde se forma un núcleo. "Hasta ahora, los científicos se han esforzado por visualizar esta primera etapa a nivel molecular. La imagen microscópica de la nucleación de los cristales ha sido objeto de un intenso debate. Estudios recientes sugieren que las moléculas parecen formar una organización desordenada antes de la formación de los "núcleos". Entonces, ¿cómo surge el orden cristalino a partir de ellos? Esa es una gran pregunta", explica Takuji Adachi, profesor adjunto del Departamento de Química Física de la Facultad de Ciencias de la UNIGE.

Capturar un evento de nucleación de cristales a la vez

El equipo de Takuji Adachi, apoyado por dos investigadores del Departamento de Química de la Universidad McGill (Nathalie LeMessurier y Lena Simine), ha dado un paso decisivo al conseguir observar el proceso de nucleación de un cristal individual a escala micrométrica mediante espectroscopia óptica. "Hemos conseguido demostrar y visualizar la organización y formación de agregados moleculares que preceden a la cristalización", explica Johanna Brazard, investigadora del Departamento de Química Física y coprimera autora de la investigación.

Para observar este fenómeno, los científicos combinaron la microespectroscopia Raman -una técnica basada en la interacción de la luz con la materia para obtener información sobre su composición- y la captura óptica. "Utilizamos el láser para resaltar la estructura molecular durante la nucleación pero también para inducir el fenómeno de nucleación y así poder observarlo y registrar su huella espectral", explica Oscar Urquidi, estudiante de doctorado del Departamento de Química Física y coprimer autor de esta investigación. La sustancia modelo elegida para llevar a cabo estos experimentos fue la glicina, un aminoácido que es un componente esencial de la vida, disuelto en agua.

"Nuestro trabajo ha revelado una etapa de la cristalización que antes era invisible, dice Takuji Adachi. Visualizar con mayor precisión y comprender mejor lo que ocurre a nivel molecular es muy útil para dirigir ciertas manipulaciones con mayor eficacia." En concreto, este descubrimiento podría facilitar la obtención de estructuras cristalinas más puras y estables para ciertas sustancias utilizadas en el diseño de muchos fármacos o materiales.

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