La crescita di un microcristallo in tempo reale

In questo esperimento, i cristalli del comune sala da cucina – o, in alternativa, i cristalli di altre sostanze, come ad es. i composti metallici colorati – vengono fatti crescere in gocce d’acqua poste su dei vetrini e osservati con un microscopio. Ci vogliono infatti solo circa 30 minuti per una goccia d’acqua con sostanze chimiche disciolte in essa per asciugare completamente e cristallizzare. Pertanto, la crescita di cristalli naturali avviene su una scala temporale molto compressa. Assistere in tempo reale alla crescita dei cristalli è uno spettacolo della natura esteticamente molto bello ed a suo modo indimenticabile.

Veder crescere i cristalli di sale letteralmente sotto i propri occhi è divertente e facile: ci vuole infatti pochissimo lavoro per avviare il processo di crescita dei cristalli. Gli ingredienti sono giusto nella tua cucina, i cristalli di cloruro di sodio (NaCl) non sono tossici e non è richiesta alcuna attrezzatura speciale, a parte un comune microscopio ottico.

Infatti, il materiale di base occorrente per questo esperimento di visualizzazione al microscopio della crescita accelerata dei cristalli è il seguente:

  • Un microscopio da biologia
  • Vetrini portaoggetto
  • Un becker
  • Sale da cucina (cloruro di sodio)

Preparazione dell’esperienza

Prepara una soluzione quasi satura di sale comune il giorno prima. Se la prepari il giorno stesso perché non vuoi aspettare, mescolare il sale in acqua calda bollente fino a quando il sale non si scioglie più (i cristalli iniziano ad apparire sul fondo del contenitore). Assicurati che l’acqua sia il più vicino possibile all’ebollizione. L’acqua calda del rubinetto non è sufficiente per preparare la soluzione.

Come preparare la soluzione satura (o quasi) di sale da cucina da porre sul vetrino.

La solubilità del sale da cucina (o di qualsiasi tipo di sale) aumenta notevolmente con la temperatura. Otterrai i risultati migliori se usi una soluzione salina satura o quasi, il che significa che vuoi dissolvere il sale nell’acqua più calda disponibile. Un trucco per aumentare la quantità di sale che puoi sciogliere è mettere nel microonde la soluzione salina. Puoi filtrare i solidi usando un filtro per il caffè o un tovagliolo di carta.

A questo punto hai tutto ciò che serve per le prime osservazioni. Posiziona un vetrino portaoggetti pulito e vuoto sul tavolino del microscopio. Metti tre gocce della soluzione  che desideri osservare sul vetrino portaoggetti, dopodiché le si strisciano con un altro vetino portaoggetti come per l’osservazione al microscopio del sangue.

L’osservazione viene fatta senza “montaggio”, cioè senza coprire il liquido con il vetrino coprioggetto, e prima che, a occhio nudo, si scorgano le prime formazioni cristalline. Pertanto, accendi la luce del microscopio. Il calore del bulbo accelererà l’evaporazione e accelererà la crescita dei cristalli. Controlla il microscopio ogni due minuti circa e guarda cosa succede!

Se vuoi accelerare ulteriormente le cose, scalda il vetrino su una fiamma bassa di Bunsen, posiziona una goccia di soluzione salina sul vetrino e poi posiziona immediatamente il vetrino sotto l’obiettivo, senza spostare l’obiettivo. Il vetrino deve essere sufficientemente caldo da far evaporare rapidamente il liquido, ma non troppo caldo da far bollire il liquido stesso.

Usa un ingrandimento basso per visualizzare e centrare la goccia nel campo visivo. Dopodiché, scansiona le gocce a un ingrandimento da 10 a 100x. Le gocce possono essere viste a un ingrandimento da 20 a 40 volte e quando appare qualcosa di sospetto o interessante, aumenta l’ingrandimento fino a 100x per una visione migliore. Scansiona l’intera profondità del cristallo in formazione e scendi lentamente dall’alto verso il basso usando il relativo controllo sul microscopio.

La crescita dei cristalli di sale da cucina vista al microscopio. (fonte: Sbalordiscienza)

Fai attenzione a non visualizzare il preparato in una singola posizione troppo a lungo, e non lasciare il vetrino incustodita al microscopio con la sorgente luminosa accesa, in quanto la temperatura può elevarsi, danneggiando o dissolvendo il cristallo o creando condensa, rendendo difficile la visione.

Primi risultati e possibili approfondimenti

Le osservazioni dei cristalli sono al limite dell’effetto speciale per la regolarità delle forme o, al contrario, per l’apparente caos di certe cristallizzazioni, classico esempio di struttura frattale. L’osservazione proposta, che permette di seguire “in diretta” la formazione dei cristalli, mette in evidenza come ogni sostanza dia origine a cristalli dalla forma caratteristica.

A volte i cristalli si formano a diverse profondità della goccia perché le diverse aree della goccia possono equilibrarsi a ritmi diversi. Inoltre, i cristalli qualche volta si formano nella parte superiore di una goccia e, quando il cristallo guadagna massa, cadono in una porzione inferiore della goccia.

In pratica, i cristalli diventano più grandi aggiungendo più strati di materia solida attorno ai loro strati più esterni. I cristalli si formano dalla soluzione quando il solvente evapora. I cristalli di diverse sostanze hanno forme diverse. I cristalli di sostanze diverse hanno anche proprietà diverse: ad esempio, alcuni sono colorati e altri no; alcuni crescono bene e altri no.

Un cristallo di una determinata sostanza mostra le facce piane sempre agli stessi angoli l’un l’altra e ha le sue altre proprietà ordinate perché è costituito da atomi, ioni o molecole disposti in modo molto ordinato. Questa struttura ordinata si trova in realtà in quasi tutti i materiali solidi, sebbene alcune sostanze abbiano una disposizione molto più ordinata di altre (perciò ad es. il legno non è un cristallo).

Si dovrebbero vedere i bordi dritti e gli angoli tipici dei cristalli di sale comuni. Ogni composto o minerale ha la sua caratteristica forma cristallina. Le dimensioni non contano, la forma sì. Prova a osservare i vari cristalli che nascono da soluzioni diverse. Altre soluzioni da provare sono sale e zucchero. Il sale forma cubetti, mentre i cristalli di zucchero sono meno simmetrici, con meno angoli retti.

La struttura di un cristallo cubico ideale di sale da cucina.

Sperimenta anche con diversi tipi di sale da tavola. Prova il sale iodato, il sale non iodato, il sale marino o anche i sostituti del sale. Prova a usare diversi tipi di acqua, ad es. l’acqua del rubinetto rispetto all’acqua distillata. Vedi se c’è qualche differenza nell’aspetto dei cristalli. Le impurità nel sale o nell’acqua possono aiutare la dislocazione, dove i nuovi cristalli non si impilano perfettamente sopra i cristalli precedenti.

Per un risultato più spettacolare, oppure in una seconda fase, si possono usare – al posto del comune sale da cucina – dei flaconi contagocce contenenti una soluzione satura di qualsiasi composto di metallo di transizione colorato idrosolubile, come ad es. solfato di rame, solfato di ferro, cloruro di calcio.

I cristalli di quarzo in natura probabilmente crescono nel corso di migliaia di anni. Questo esperimento può mostrare anche la crescita di cristalli naturali come il quarzo, solo su una scala temporale molto compressa. La goccia d’acqua rotonda, infatti, è come una sezione trasversale di un geode naturale, specialmente con i cristalli che crescono dai lati. I geodi, in natura, si formano in buchi nella roccia.

La crescita dinamica dei microcristalli

La cristallizzazione, per quanto riguarda la crescita dinamica dei cristalli, offre dunque un campo di studi particolarmente affascinante al microscopista dilettante, e c’è uno spazio pressoché infinito per l’esplorazione anche con un’attrezzatura relativamente semplice. Si tratta dunque di un’area diversa da quella tradizionale dello studio delle strutture statiche tipico della cristallografia.

Risulta ormai abbastanza evidente che certe caratteristiche fondamentali sono comuni alla cristallizzazione della maggior parte – se non di tutte – le sostanze, ed è inoltre chiaro che molti tipi di molecole che in passato non erano mai stati ritenuti capaci di una cristallizzazione stanno ora rivelando questa capacità. Infatti, lo studio di certe sostanze ha suggerito le tecniche più adatte per altre sostanze.

Per comprendere meglio i meccanismi di crescita dei microcristalli, possono essere molto utili – se non indispensabili – le tecniche di microfotografia che permettono di seguire passo-passo il fenomeno. In questo modo, è possibile immortalare diversi tipi di celle di crescita, cosa che non sarebbe possibile semplicemente guardando con l’occhio nel microscopio.

Time-lapse della crescita di un cristallo in una soluzione di acido citrico. Clicca qui.

Ricordiamo che la cristallizzazione è il processo (naturale o artificiale) mediante il quale si forma un solido, nel quale gli atomi o le molecole sono altamente organizzati in una struttura conosciuta come “cristallo”. Gli attributi del cristallo risultante dipendono in gran parte da fattori come la temperatura, la pressione dell’aria e – nel caso di cristalli creati da liquidi – il tempo di evaporazione del fluido.

La cristallizzazione avviene in due fasi principali. Il primo è la nucleazione, l’apparizione di una fase cristallina da un liquido super raffreddato o da un solvente supersaturo. Il secondo passo è noto come crescita dei cristalli, che è l’aumento delle dimensioni delle particelle e porta a uno stato cristallino. Una caratteristica importante di questo passaggio è che le particelle libere formano strati sulla superficie del cristallo e si depositano in incongruenze aperte come pori, crepe, etc.

La maggior parte dei minerali e delle molecole organiche cristallizza facilmente, ed i cristalli risultanti sono generalmente di buona qualità, cioè senza difetti visibili. Tuttavia, le particelle biochimiche più grandi – come le proteine – sono spesso difficili da cristallizzare. La facilità con cui le molecole cristallizzeranno dipende molto dall’intensità delle forze atomiche (nel caso delle sostanze minerali), delle forze intermolecolari (sostanze organiche e biochimiche) o delle forze intramolecolari (sostanze biochimiche).

Il modello di crescita assomiglia agli anelli di una cipolla. La massa iniziale crea strati sempre più sottili a causa della crescente superficie del cristallo in crescita. La massa di soluto sovrasaturo che il nucleo originale può catturare in un’unità temporale è chiamata velocità di crescita, ed è una costante specifica del processo. Il tasso di crescita è influenzato da diversi fattori fisici, come la tensione superficiale della soluzione, la pressione, la temperatura, la velocità relativa del cristallo nella soluzione, etc.

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