An der Schnittstelle zwischen Chemie und Physik ist der Prozess der Kristallisation in der Natur und der Industrie allgegenwärtig. Er ist die Grundlage für die Bildung von Schneeflocken, aber auch für bestimmte Wirkstoffe, die in der Pharmakologie verwendet werden. Damit das Phänomen bei einer bestimmten Substanz auftritt, muss sie zunächst eine Phase durchlaufen, die so genannte Nukleation, in der sich die Moleküle organisieren und die optimalen Bedingungen für die Bildung von Kristallen schaffen. Während es bisher schwierig war, diese Dynamik vor der Keimbildung zu beobachten, ist dieser Schlüsselprozess nun durch die Arbeit eines Forscherteams der Universität Genf (UNIGE) aufgedeckt worden. Den Wissenschaftlern ist es gelungen, diesen Prozess spektroskopisch in Echtzeit und auf mikrometrischer Ebene zu visualisieren und damit den Weg für die Entwicklung von sichereren und stabileren Wirkstoffen zu ebnen. Die Ergebnisse sind in den Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) zu finden.
Die Kristallisation ist ein chemischer und physikalischer Prozess, der in vielen Bereichen eingesetzt wird, von der pharmazeutischen Industrie bis zur Lebensmittelverarbeitung. Er dient dazu, eine gasförmige oder flüssige Substanz in Form von Kristallen zu isolieren. Dieses Phänomen ist jedoch nicht nur in der Industrie anzutreffen, sondern auch in der Natur, z. B. in Schneeflocken, Korallen oder Nierensteinen.
Damit sich aus Stoffen Kristalle bilden können, müssen sie zunächst eine entscheidende Phase durchlaufen, die Keimbildung. In dieser ersten Phase ordnen sich die Moleküle zu "Kernen" an, d. h. zu stabilen Molekülclustern, die zur Entwicklung und zum Wachstum des Kristalls führen. Dieser Prozess läuft stochastisch ab, das heisst, es ist nicht vorhersehbar, wann und wo sich ein Kern bildet. "Bis jetzt hatten die Wissenschaftler Schwierigkeiten, diese erste Phase auf molekularer Ebene zu visualisieren. Das mikroskopische Bild der Kristallkeimbildung war Gegenstand intensiver Debatten. Jüngste Studien deuten darauf hin, dass Moleküle vor der Bildung von 'Kernen' eine ungeordnete Organisation zu bilden scheinen. Wie entsteht dann aus ihnen die kristalline Ordnung? Das ist eine grosse Frage", erklärt Takuji Adachi, Assistenzprofessor in der Abteilung für physikalische Chemie an der UNIGE-Fakultät für Naturwissenschaften.
Ein Kristallkeimbildungsereignis nach dem anderen erfassen
Das Team von Takuji Adachi, das von zwei Forschern des Fachbereichs Chemie der McGill University (Nathalie LeMessurier und Lena Simine) unterstützt wird, hat einen entscheidenden Schritt getan: Es ist ihm gelungen, den Keimbildungsprozess eines einzelnen Kristalls auf mikrometrischer Ebene durch optische Spektroskopie zu beobachten. "Es ist uns gelungen, die Organisation und Bildung von Molekülaggregaten, die der Kristallisation vorausgehen, nachzuweisen und sichtbar zu machen", erklärt Johanna Brazard, Forscherin in der Abteilung für Physikalische Chemie und Mitautorin der Studie.
Um dieses Phänomen zu beobachten, kombinierten die Wissenschaftler die Raman-Mikrospektroskopie - eine Technik, die auf der Wechselwirkung von Licht mit Materie basiert, um Informationen über deren Zusammensetzung zu erhalten - und das optische Einfangen. "Wir haben Laser eingesetzt, um die molekulare Struktur während der Keimbildung hervorzuheben, aber auch, um das Keimbildungsphänomen auszulösen und es so beobachten und seinen spektralen Abdruck aufzeichnen zu können", erklärt Oscar Urquidi, Doktorand in der Abteilung für Physikalische Chemie und Mitautor dieser Forschung. Als Modellsubstanz für diese Experimente wurde Glycin gewählt, eine Aminosäure, die ein wesentlicher Baustein des Lebens ist und in Wasser gelöst ist.
Unsere Arbeit hat ein Stadium der Kristallisation aufgedeckt, das bisher nicht sichtbar war", sagt Takuji Adachi. Eine genauere Visualisierung und ein besseres Verständnis dessen, was auf molekularer Ebene geschieht, ist sehr nützlich, um bestimmte Manipulationen effektiver zu gestalten." Diese Entdeckung könnte es insbesondere erleichtern, reinere und stabilere Kristallstrukturen für bestimmte Substanzen zu erhalten, die bei der Entwicklung zahlreicher Medikamente oder Materialien verwendet werden.
Originalveröffentlichung
- Proceedings of the National Academy of Sciences, 2022.