Создано первое в истории видео с атомным разрешением
Ученые из Университета в Токио представили видео, на котором в режиме реального времени формируются кристаллы хлорида натрия. Наблюдения подтверждают теоретические предсказания о том, как образуются кристаллы соли, и подсказывает, каким образом образование кристаллов создает различные упорядоченные структуры из неупорядоченной химической смеси.
Из кристаллов состоят многие привычные нам вещи: снежинки, крупинки соли и даже алмазы. Атомы и молекулы в кристаллах расположены закономерно, образуя трехмерно-периодическую пространственную укладку - кристаллическую решетку. Процесс перехода из неупорядоченного состояния в упорядоченное называется нуклеацией. Хотя он изучался на протяжении столетий, точные процессы, происходящие на атомном уровне, до сих пор не были экспериментально подтверждены.
Теперь 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 изображений в секунду.
"Один из наших магистрантов, Масая Сакакибара, использовала SMART-EM для изучения поведения хлорида натрия (NaCl) - соли. Чтобы удерживать образцы на месте, мы используем углеродные нанотрубки толщиной в один атом. С потрясающими видеороликами, снятыми Сакакибарой, мы сразу же получили возможность изучить структурные и статистические аспекты зарождения кристаллов с беспрецедентной детальностью", - рассказал Такаюки Накамуро, ведущий автор проекта.
Накамуро и его команда просмотрели видеозаписи, снятые Сакакибарой, и были первыми людьми, которые увидели крошечные кубовидные кристаллы, состоящие из десятков молекул NaCl, возникающих из хаотической смеси отдельных ионов натрия и хлора.
atomic-resolution real-time video of crystal formation pic.twitter.com/bmFBpBKY9Z - artisanal pop-up guillotines (@bangskij68) January 21, 2021
Они сразу 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. 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, которое к нему приводит. Я надеюсь, что наш исследование обеспечивает первый шаг в понимании механизма полиморфизма", - говорит профессор Университета в Токио Эйити Накамура.
Однако команда думает не только о бриллиантах; полиморфизм в росте кристаллов также является важным процессом при производстве некоторых фармацевтических и электронных компонентов.
