Автор AZoNano 22 января 2021

Два новых метода, видео с атомным разрешением в реальном времени и конусное удержание углеродных нанотрубок, позволяют исследователям видеть невиданные ранее детали образования кристаллов. Наблюдения подтверждают теоретические предсказания о том, как образуются кристаллы соли, и могут сообщить общие теории о том, как образование кристаллов создает различные упорядоченные структуры из неупорядоченной химической смеси.

Кристаллы содержат много 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 зародышеобразование, и, хотя он изучался на протяжении столетий, точные процессы на атомном уровне до сих пор никогда не подтверждались экспериментально

.

Недостаточно просто видеть молекулы на атомном уровне – эта способность существует с нами 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 из химического факультета Токийского университета решили эту проблему с помощью метода электронной микроскопии в реальном времени с атомарным разрешением одной молекулы или SMART-EM. Он фиксирует детали химических процессов со скоростью 25 изображений в секунду.

«Один из наших магистрантов, Масая Сакакибара, использовал SMART-EM для изучения поведения хлорида натрия (NaCl) – соли», – сказал доцент проекта Такаюки Накамуро. «Чтобы удерживать образцы на месте, мы используем углеродные нанороги толщиной в атом, одно из наших предыдущих изобретений. С помощью потрясающих видеороликов, снятых Сакакибарой, мы сразу же заметили возможность изучить структурные и статистические аспекты зарождения кристаллов с беспрецедентными подробностями. "

Накамуро и его команда просмотрели видеозаписи, снятые Сакакибарой, и были первыми людьми, которые когда-либо увидели крошечные кубовидные кристаллы, состоящие из десятков молекул NaCl, возникающих из хаотической смеси отдельных ионов натрия и хлорида. Сразу же они заметили статистическую закономерность в частоте появления кристаллов; оно следовало 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 университета 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 зародышеобразования, которое к нему приводит. Я надеюсь, что наше исследование станет первым шагом к пониманию механизма полиморфизма ».

Но команда думает не только о бриллиантах; полиморфизм в росте кристаллов также является важным процессом при производстве некоторых фармацевтических и электронных компонентов.

Журнальная статья

Такаюки Накамуро, Масая Сакакибара, Хироки Нада, Кодзи Харано, Эйити Накамура. Как запечатлеть момент появления кристаллического ядра из беспорядка. Журнал Американского химического общества . DOI: 10.1021 / jacs.0c12100.

Финансирование

Это исследование было поддержано следующими грантами: JSPS (KAKENHI JP19H05459, JP20K15123) Японское агентство науки и технологий (SENTAN JPMJSN16B1) Мемориальная стипендия профессора Осафуне Японского общества микроскопии

Источник: http://www.u-tokyo.ac.jp/en/