Потрясающее видео показывает образование кристаллов соли из отдельных атомов.

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

Похожее видео

В Joby Aviation последние 10 лет разрабатывают тихий полностью электрический самолет, который может взлетать и садиться вертикально. Сегодня, когда у нас за плечами более 1000 испытательных полетов, они впервые делятся видеозаписью.

Геофизики выпустили видео, на котором впервые показано непрерывное движение тектонических плит Земли за последний миллиард лет. Не часто можно нажать кнопку воспроизведения и посмотреть, как глубокое время разворачивается на ваших глазах.

SSC Tuatara официально является самым быстрым серийным автомобилем в мире. Со средней двусторонней скоростью 282,9 миль в час на расстоянии 2,3 мили SSC побила постоянный рекорд - 278 миль в час. Это произошло на прошлой неделе во время испытаний в Космическом центре Кеннеди в рамках квеста SSC по разгону до 300 миль в час.

Замораживание мыльных пузырей в -28С. Если вы хотите попробовать сами, вам потребуются: 100 мл теплой воды, 17 мл средства для мытья посуды, 17 мл кукурузного сиропа, 1 столовая ложка сахара. Смешайте, пока сахар не растворится, и все готово. Вам просто нужен холодный, спокойный день.