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, и хотя он изучался на протяжении столетий, точные процессы, происходящие на атомном уровне, до сих пор не были экспериментально подтверждены.

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.

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», — 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.

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.

Узнайте, как ученые вырастили искусственную древесину.
https://nat-geo.ru/science/sozdano-pervoe-v-istorii-video-s-atomnym-razresheniem/