Формирование кристаллов - один из самых распространенных процессов, о которых вы, вероятно, можете подумать. Каждый раз, когда вы замораживаете воду, например, в кубики льда, вы создаете кристаллические структуры. Есть даже забавный эксперимент, который вы можете провести по выращиванию кристаллов соли дома - всего лишь с помощью поваренной соли и воды.

Но на атомном уровне мы плохо понимаем, как образуются кристаллы, особенно зародышеобразование - самый первый шаг в процессе кристаллизации. Отчасти потому, что это динамический процесс, который происходит в таких небольших масштабах, а отчасти потому, что он в некоторой степени случайен, что затрудняет изучение.

Это то, что делает работу группы исследователей во главе с химиком Такаюки Накамуро из Токийского университета в Японии такой захватывающей. Используя специальную технику, разрабатываемую с 2005 года, они впервые засняли кристаллизацию соли в атомном масштабе.

Исследователи заявили, что, поскольку кристаллизация используется для широкого круга применений - от медицины до промышленного производства - это шаг к лучшему контролю за тем, как мы создаем материалы.

Этот метод называется электронной микроскопией отдельных молекул в реальном времени с атомарным разрешением или SMART-EM (single-molecule atomic-resolution real-time electron microscopy) и используется для изучения молекул и молекулярных агрегатов. Объединив его с недавно разработанным методом подготовки проб, команда зафиксировала само образование кристаллов соли.

«Один из наших магистрантов, Масая Сакакибара, использовал SMART-EM для изучения поведения соли - хлорида натрия (NaCl)», - сказал Накамуро.

«Чтобы удерживать образцы на месте, мы используем углеродные нанороги толщиной в атом, одно из наших предыдущих изобретений. С потрясающими видеороликами, снятыми Сакакибарой, мы сразу же заметили возможность изучить структурные и статистические аспекты зарождения кристаллов с беспрецедентной детальностью».

Со скоростью 25 кадров в секунду команда записала, как вода испарялась из раствора хлорида натрия. Из жидкого хаоса, вызванного формой колеблющегося углеродного нанорога, подавляющего молекулярную диффузию, возник порядок, когда десятки молекул соли возникли и собрались в кристаллы кубической формы.

Рост кристалла хлорида натрия в действии, крупным планом. Фото: The University of Tokyo

По словам исследователей, эти пре-кристаллизации агрегатов до никогда ранее не наблюдались и не характеризовались.

Девять раз исследователи наблюдали этот процесс, и девять раз молекулы организовывались в кластер, колеблющийся между безликим и полуупорядоченным состояниями, прежде чем внезапно сформироваться в кристалл: четыре атома в ширину и шесть атомов в длину. Эти состояния, как отметила команда, сильно отличаются от реальных кристаллов.

Они также заметили статистическую закономерность в частоте образования, роста и сжатия кристаллов. Они обнаружили, что для каждого из девяти зародышей время процесса зародышеобразования примерно соответствовало нормальному распределению со средним временем 5,07 секунды; это было теоретически, но это первый раз, когда это было экспериментально подтверждено.

В целом, их результаты показали, что размер молекулярной сборки и ее структурная динамика играют роль в процессе зародышеобразования. Понимая это, можно точно контролировать процесс зародышеобразования, контролируя пространство, в котором оно происходит. Они даже могли контролировать размер и форму кристаллов.

Следующим шагом в исследовании будет попытка изучить более сложную кристаллизацию с более широким практическим применением.

«Соль - это всего лишь наша первая модельная субстанция, чтобы исследовать основы событий зародышеобразования», - сказал химик Эйити Накамура из Токийского университета.

«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 наше исследование обеспечивает первый шаг к пониманию механизма полиморфизма».

Исследование было опубликовано в журнале Journal of the American Chemical Society.

Источник: Science Alert / University of Tokyo