Первое в мире видео формирование кристаллов с атомным разрешением
Нуклеация (зародышеобразование) — это процесс роста из этого неупорядоченного состояния в упорядоченное.
Два новых метода, видео с атомарным разрешением в реальном времени и удержание конических углеродных нанотрубок, позволяют исследователям увидеть невиданные ранее детали образования кристаллов.
Наблюдения подтверждают теоретические предсказания о том, как образуются кристаллы соли, и могут сообщить общие теории о том, каким образом образование кристаллов создает различные упорядоченные структуры из неупорядоченной химической смеси.
Кристаллы включают в себя множество знакомых вещей, таких как снежинки, крупинки соли и даже алмазы. Это регулярные и повторяющиеся расположения составляющих молекул, которые растут из хаотического моря этих молекул.
Процесс роста из этого неупорядоченного состояния в упорядоченное состояние известен как нуклеация, и хотя он изучался на протяжении столетий, точные процессы на атомном уровне до сих пор никогда не подтверждались экспериментально.
Недостаточно просто видеть молекулы на атомарном уровне — эта способность существует уже несколько десятилетий. Суть роста кристалла в том, что это динамический процесс, и наблюдения за его развитием так же важны, как и наблюдения за его структурой.
К счастью, исследователи химического факультета Токийского университета решили эту проблему с помощью метода электронной микроскопии в реальном времени с атомным разрешением одной молекулы, или SMART-EM. Он фиксирует детали химических процессов со скоростью 25 кадров в секунду.
Ученые просмотрели видеозаписи и стали первыми людьми, которые увидели крошечные кубовидные кристаллы, состоящие из десятков молекул NaCl, возникающих из хаотической смеси отдельных ионов натрия и хлорида.
Они сражу же заметили статистическую закономерность в частоте появления кристаллов; она следовала так называемому нормальному распределению, которое давно теоретизировалось, но только теперь подтверждено экспериментально.
«Соль — это всего лишь наша первая модельная субстанция, которая исследует основы процессов нуклеации», — сказал профессор Эйити Накамура.
«Соль кристаллизуется только одним способом. Но другие молекулы, такие как углерод, могут кристаллизоваться разными способами, что приводит к образованию графита или алмаза. Это называется полиморфизмом, и никто не видел ранних стадий нуклеации, которые к нему приводят. Я надеюсь, что наши исследование обеспечивает первый шаг в понимании механизма полиморфизма».
Takayuki Nakamuro, Masaya Sakakibara, Hiroki Nada, Koji Harano, Eiichi Nakamura. Capturing the Moment of Emergence of Crystal Nucleus from Disorder. Journal of the American Chemical Society. DOI: 10.1021/jacs.0c12100