Екип учени от университета в Токио първи в света заснеха видео, как от отделните йони в разтвор се формират кристали на натриев хлорид – тоест, на обикновената готварска сол. За да постигнат това те са приложили два нови метода – заснемането на видео в реално време с атомарна резолюция и удържането на NaCl кристалите с помощта на конични въглеродни нанотръби.
Процесът на прехода от неподредено състояние в подредено кристално състояние се нарича нуклеация. И въпреки че той се изучава в продължение на вече цели векове, какви точно процеси протичат на атомарно ниво досега не бяха показвани и не бяха експериментално потвърдени.
Нуклеацията е първата стъпка във формирането или на нова термодинамична фаза, или на нова структура чрез самосглобяване или самоорганизация. Нуклеацията обикновено се дефинира като процес, който определя колко дълго трябва да чака наблюдател, преди да се появи новата фаза или самоорганизираната структура.
Кристалите са твърди тела в които частиците (атоми и молекули) образуват триизмерна пространствена структура, която е прието да наричаме кристална решетка. Тяхната характерна форма на правилни симетрични многоъгълници се базира на вътрешната структура – тоест на едно от няколкото възможни разположения на съставните частици. Има много природни обекти, които са кристали – диамантите, снежинките, зрънцата готварска сол и още много други.
Реалните наблюдения с помощта на електронен микроскоп потвърждават теоретичните научни работи за това по какъв начин се образуват кристалите на натриевия хлорид и могат да положат основата на една обща теория относно създаването на различните подредени кристални структури от неподредените химически смеси и суспензии.
В този случай съвсем не е достатъчно просто да се разгледа молекулата на атомно ниво – този възможност съществува от няколко десетилетия. Работата е в това, че ръстът на кристала е динамичен процес и наблюдението на неговото развитие е също толкова важно, както и наблюдението на неговата структура. Изследователите от химическия факултет на токийския университет решиха този проблем с помощта на метода на електронна микроскопия в реално време със атомарна резолюция – методът SMART-EM. Той фиксира детайлите на химичните процеси със скорост 25 кадъра в секунда.
Електронният микроскоп дава възможност за получаването на изображения на различните обекти с максимално увеличение до 106 пъти. Вместо светлинен поток, както е при оптичния микроскоп, тук се използва поток електрони с енергия от 200 до 400 keV, а понякога и повече. Дължината на вълната на дьо Бройл на електроните, ускорени в електрическо поле от 1000 V е равна на 0,4 ангстрьома, което е много по-малко от дължината на вълната на видимата светлина. Ето защо разделителната способност на този електронен микроскоп с над 10000 пъти превъзхожда резолюцията на оптичния микроскоп. За получаването на качествени изображения в електронния микроскоп се използват специални магнитни лещи, управляващи движенията на електроните с помощта на магнитно поле.
За да могат да бъдат удържани кристалите на едно място, японските химици са използвали конични въглеродни нанотръби с форма приличаща на рог и дебелина едва един атом, които всъщност са едно от техните предишни изобретения. Резултатът от всичко това станаха безпрецедентни видеозаписи, на които най-подробно и с всички детайли е възможно да се изучат структурните аспекти на зараждането на кристалите.
В направените по този начин видеозаписи се виждат съвсем малки кристалчета във форма на куб, съставени от десетки молекули натриев хлорид, които се появяват от хаотичната смес от отделни йони на натрия Na+ и на хлора Cl−.
„Молекулите NaCl самостоятелно се групират в един общ клъстър, който се колебае между безлично (featureless) и подредено състояние, от които внезапно образува кристал. При температура 298 К се наблюдава бърз растеж на кристалите и намаляване на техния ръст, а при температура 473 К техният растеж започва да намалява., като това е стохастичен процес се казва в анотацията на научната работа на японските специалисти.
Учените веднага забелязаха статистическата закономерност в честотата на поява на кристалите: тя съответства на така нареченото нормално разпределение, нещо което отдавна се предполагаше теоретично, но сега бе експериментално потвърдено.
atomic-resolution real-time video of crystal formation pic.twitter.com/bmFBpBKY9Z
— artisanal pop-up guillotines (@bangskij68) January 21, 2021
„Готварската сол е първото вещество, с помощта на което изследваме основите на събитието нуклеация“ – заяви професорът на токийския университет Ейити Накамура. „Солта кристализира по един-единствен начин. Но другите молекули, като например тези на въглерода, могат да кристализират по няколко начина, в резултат от което се получава или графит, или диамант. Това се нарича полиформизъм и досега никой не бе виждал ранните стадии на нуклеацията, която води до това. Надявам се че нашите изследвания ще стане първата стъпка в разбирането на механизма полиморфизъм“.
Всъщност полиформизмът се проявява не само в кристализацията на въглерода. Това е изключително важен процес при производството на някои фармацевтични лекарствени препарати, както и някои електронни компоненти.
