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FUNDAMENTOS DE CRISTALIZACIÓN Juan Manuel García-Ruiz CSIC-Universidad de Granada Insubria International Summer School Crystallography for Health and Biosciences jueves 29 de noviembre de 12

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FUNDAMENTOS DE CRISTALIZACIÓN

Juan Manuel García-RuizCSIC-Universidad de Granada

Insubria International Summer SchoolCrystallography for Health and Biosciences

jueves 29 de noviembre de 12

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La cristalización es un fenómeno que consiste en dos procesos diferentes. El primero de ellos se llama nucleación, y consiste en la formación de clusters nanoscópicos de la nueva fase sólida que pueden crecer hasta formar cristales macroscópicos de forma irreversible. El segundo es el proceso de crecimiento del cristal.

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Las disoluciones subsaturadas son termodinámicamente

estables

Las disoluciones saturadas están en equilibrio

Las disoluciones sobresaturadas son

termodinámicamente inestable

Una solución sobresaturada debería crear una fase sólida.

Sin embargo, esto sólo es cierto cuando la

sobresaturación alcanza un valor crítico.

Recordando conceptos sencillos pero importantes

Juan Ma. Garcia-Ruiz

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Disolución: fase homogénea que contiene moléculas de soluto y las moléculas de disolvente

Concentración de equilibrio o solubilidad (Ce):La concentración de soluto en un disolvente en equilibrio con soluto no disuelto, a una temperatura y presión dadas.

Disolución saturada: C = Ce Disolución sobresaturada: C > Ce Disolución subsaturada: C < Ce

Expresiones de la sobresaturación

Sobresaturation : Razón de sobresaturación:

Sobresaturaciónn relativa:

Recordando conceptos sencillos pero importantes

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¿Por qué hay una zona metaestable donde los cristales pueden crecer pero no pueden nuclear, es

decir, no pueden formarse

Una visión intuitiva del proceso de nucleación

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When a cluster form, a surface is created that separates two volumes (the cluster and the mother solution) quite different from a structural viewpoint

Escola de Altos Estudos em Cristalização e Cristalografia para Latino América (ECRISLA ) November 13-25, 2011 Florianópolis (Brasil)                                                                                                                                              Juan  Ma.  Garcia-­Ruiz

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El cristal Kossel. La unidad virtual de crecimiento tiene seis enlaces insaturados situados perpendicular a cada cara del cubo

La cohesión del cluster es proporcional al número de enlaces saturados internos versus el número de enlaces en dirección hacia la solución madre

Nucleación

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J. M. García-Ruiz, Nucleation of protein crystals, Journal of Structural Biology, 142 (2003) 22-31.

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Cohesion  energy  is  proportional  to  the  cluster’s  volumeThe  probability  to  disagregate  is  proportional  to  the  cluster’s  surface

a FS=6*a2 FA= a3

1 6 x 12 a (1)3

2 6 x 22 a (2)3

3 6 x 32 a (3)3

4 6 x 42 a (4)3

5 6 x 52 a (5)3

6 6 x 62 a (6)3

7 6 x 72 a (7)3

8 6 x 82 a (8)3

9 6 x 92 a (9)3

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Stable growth

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ΔG∗ =16πν 2γ 3

3 kT lnS[ ]2

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According to the Boltzman’s law, the probability of a fluctuation of magnitude W is given by : . Thus, the probability of a nucleus of size i+1 growth units being created from a cluster of size i is: , where ΔGi is the change of free energy associated to the addition of one growth unit to a cluster of size i. As nΔGi = ΔG, then,

The  nucleation  frequency  J,  i.e.  The  number  of  nuclei  per  unit  of  volume  and  unit  of  time  that  achieve  the  critical  size  can  be  expressed  as:  

Substituying  the  value  of  ΔG*  in  the  last  equation  we  got:  

J =κ0 exp −16πυ 2γ 3

3 kT( )3 lnS[ ]2⎛

⎝ ⎜ ⎜

⎠ ⎟ ⎟

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Nucleation frequency J is defined as the number of stable nuclei forming per unit of time and unit of volumen. It is given by:

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The induction time is the reverse of the nucleation flow and is the summation of three factors:

The first is the time required to get a stationary distribution of size of precritical size, the second, the waiting time to obtain clusters of a critical size and the third one, is the waiting time for a stable cluster to reach the size to be detectable. This last parameter depends strongly of the

experimental technique used to detect nucleation.

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0 1 2 3 4 5 6 7 8

Crystallization variable 1 S*

Nuc

leat

ion

freq

uenc

y

Supersaturation

t = 0w

t = w

Metastable zone

Crystalline nucleation

Amorphou sprecipitation

Liquid-liquid separation

Stable solution

tw = 0

tw = ∞

Con

cent

ratio

n

Supersolubility

Solubility

Wid

th o

f the

met

asta

ble

zone

Nucleation is a probablistic phenomenont = 1/J

J. M. García-Ruiz, Nucleation of protein crystals, Journal of Structural Biology, 142 (2003) 22-31

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Nucleation is a probabilistic phenomenon

Running supersaturation rate≅

Car

freq

uenc

y

nu

clea

tion

fre

quen

cy≅

5 car/min

4 car/min

3 car/min

2 car/min

1 car/min

The crossing streets analogy

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Primary Nucleation

Nuclea'on

Homogeneous Nucleation

Secondary Nucleation

Heterogeneous Nucleation

Induced by the forming crystals

Spontaneously in the bulk of pure solution

Induced by surfaces other that the forming crystals

In most real systems, nucleation is hetereogeneous

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If we plot the above expression for a given value of ΔGhom we found that if the nucleus wet the substrate (α = 180) , then ΔGhet = ΔGhom; if α = 90, ΔGhet = ½ ΔGhom. Smaller the value of α, smaller the value of the activation energy for nucleation and it tends to zero for α = 0.

In general, any form of nucleation takes place by action of a solid surface composition different from that of the compound that crystallize is called hetereogeneous nucleation.

Seeding: The crystal is used as substrate

Hetereogeneous nucleation

http://www.dailymotion.com/video/xacduc_homogeneous-nucleation_school

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If we plot the above expression for a given value of ΔGhom we found that if the nucleus wet the substrate (α = 180) , then ΔGhet = ΔGhom; if α = 90, ΔGhet = ½ ΔGhom. Smaller the value of α, smaller the value of the activation energy for nucleation and it tends to zero for α = 0.

In general, any form of nucleation takes place by action of a solid surface composition different from that of the compound that crystallize is called hetereogeneous nucleation.

Seeding: The crystal is used as substrate

Hetereogeneous nucleation

http://www.dailymotion.com/video/xacduc_homogeneous-nucleation_school

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For the same path in the solubility diagram (i.e., for the same chemistry), the result of a crystallization experiment may vary drastically as a function of the rate of development of supersaturation

supersolubility

nucleation zone

metastable zone

liquid-liquid demixing

solubility curve

Crystallization variable

conc

entr

atio

n

Amorphous precipitation zone

supersolubility curve

crystals

dendritesspherulites

amorphous droplets

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For the same path in the solubility diagram (i.e., for the same chemistry), the result of a crystallization experiment may vary drastically as a function of the rate of development of supersaturation

supersolubility

nucleation zone

metastable zone

liquid-liquid demixing

solubility curve

Crystallization variable

conc

entr

atio

n

Amorphous precipitation zone

supersolubility curve

crystals

dendritesspherulites

amorphous droplets

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For the same path in the solubility diagram (i.e., for the same chemistry), the result of a crystallization experiment may vary drastically as a function of the rate of development of supersaturation

supersolubility

nucleation zone

metastable zone

liquid-liquid demixing

solubility curve

Crystallization variable

conc

entr

atio

n

Amorphous precipitation zone

supersolubility curve

crystals

dendritesspherulites

amorphous droplets

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J. M. García-Ruiz, Nucleation of protein crystals, Journal of Structural Biology, 142 (2003) 22-31.

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supersolubility

This diagram represents the zones for the different states of the solute (dissolved, solid or liquid) for a range of solute concentration as a function of a crystallisation variable (for example, concentration

of solubility reductor, pH, temperature, etc) all other variables being kept constant.

Crystallization variable

con

cen

trat

ion

Undersaturated solutions

supersaturated solutions

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supersolubility

This diagram represents the zones for the different states of the solute (dissolved, solid or liquid) for a range of solute concentration as a function of a crystallisation variable (for example, concentration

of solubility reductor, pH, temperature, etc) all other variables being kept constant.

nucleation zone

Metastable zone

liquid-liquid demixing

solubility curve

Crystallization variable

con

cen

trat

ion

Undersaturated solutions

supersaturated solutions

amorphous precipitation zone

supersolubility curve

crystals

No crystals

dendritesspherulites

amorphous

drops

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