Crescita e caratterizzazione di cristalli: studio del polimorfismo

polimorfi concomitanti in DHA

La crescita dei cristalli e la loro caratterizzazione morfologica e strutturale è un aspetto imprescindibile per numerosi settori scientifici e tecnologici. Lo studio dei sistemi cristallini è molto diffuso e sempre più sofisticato, occupandosi di sistemi sia naturali (geologia, biomineralizzazioni) sia artificiali (semiconduttori, sensori, applicazioni per ottica e laser, farmaci, cementi).

La crescita dei cristalli coinvolge complessi processi chimico-fisici, il cui studio consente di controllare e ottimizzare le caratteristiche dei cristalli prodotti. Tra i fenomeni coinvolti, la genesi di strutture cristalline polimorfiche rappresenta una variabile spesso indesiderata durante la preparazione di materiali in forma cristallina. Pertanto, lo studio dei fattori termodinamici e cinetici che possono indirizzare la crescita verso un polimorfo specifico è di grande interesse accademico e applicativo. Tra i fattori scatenanti l'emergere del polimorfismo vi sono la temperatura e/o la pressione ambiente, la presenza di impurezze/additivi durante la nucleazione (inclusi altri cristalli in grado di selezionare per epitassia uno specifico polimorfo), la flessibilità conformazionale, la sostituzione isotopica. Tutti questi fattori possono diventare sofisticati parametri di controllo per raggiungere l'obiettivo prefissato, anziché rappresentare variabili fuori controllo che rendono irriproducibili e imprevedibili i risultati.

Le attività scientifiche svolte in dipartimento riguardano:

Crescita di cristalli
crescita di cristalli

La crescita di cristalli da soluzione in condizione ambiente o solvotermali (ad es. polimeri di coordinazione microporosi con comportamento di tipo zeolitico o proprietà catalitiche, amminoacidi) prevede la preparazione di cristalli di taglia da centimetrica a nanometrica con controllo della morfologia. Tramite tecniche con sublimazione o trasporto fisico di vapore vengono cresciuti cristalli di materiali organici aventi pressione di vapore medio-alta.

Meccanismi di crescita cristallina
morfologia del cristalllo di pentacene

Lo studio dei  processi che avvengono all’interfaccia cristallo/ambiente di crescita in natura o in laboratorio (ad es. la presa dei cementi in presenza di additivi organici), consente di ottenere dati chimico-fisici e cristallografici che vanno dalla scala mesoscopica fino alle dimensioni molecolari. La caratterizzazione delle superfici cristalline in crescita viene condotta mediante microscopia ottica o microscopia a scansione di sonda in ambiente controllato. Essa consente di osservare  ex situ e, soprattutto, in situ la crescita, registrando l’evoluzione temporale della microtopografia superficiale determinata dai meccanismi di crescita. La caratterizzazione microscopica, eventualmente affiancata dalla diffrazione di raggi X da cristallo singolo, può essere integrata dallo studio teorico della morfologia cristallina mediante l’analisi delle catene periodiche di legame (PBC, periodic bond chains) che, attraverso l'esame delle interazioni intermolecolari presenti nelle strutture cristalline, consente di stimare la morfologia teorica di equilibrio e di crescita dei cristalli.

Responsabile

Laboratorio

Laboratorio di Crescita e Caratterizzazione di Cristalli – Edificio U5, Piano 1, locale 1060
Laboratorio di Diffrattometria X da Cristallo Singolo – Edificio U5, Piano 1, locale 1061