Første nogensinde atomopløsningsvideo af saltkrystaller, der dannes i realtid

To nye teknikker, atomopløsning i realtid video og konisk carbon nanorør indeslutning, give forskere mulighed for at se aldrig før set detaljer om krystaldannelse. Observationerne bekræfter teoretiske forudsigelser om, hvordan saltkrystaller dannes og kunne informere generelle teorier om den måde, hvorpå krystaldannelse producerer forskellige ordnede strukturer fra en ellers uordnet kemisk blanding.

Krystaller omfatter mange velkendte ting, såsom snefnug, saltkorn og endda diamanter. De er regelmæssige og gentagne arrangementer af konstituerende molekyler, der vokser fra et kaotisk hav af disse molekyler. Vækstprocessen fra denne uordnede tilstand til en ordnet tilstand er kendt som nukleation, og selvom det er blevet undersøgt i århundreder, de nøjagtige hændelser på atomniveau er aldrig blevet eksperimentelt bekræftet, indtil nu.

Det er ikke bare nok at kunne se molekyler på atomniveau – den evne har været med os i et par årtier nu. Sagen med en krystals vækst er, det er en dynamisk proces, og observationer af dens udvikling er lige så vigtige som observationer af dens struktur. Heldigvis, forskere ved Institut for Kemi ved University of Tokyo løste dette med deres enkelt-molekyle atomopløsning i realtid elektronmikroskopi, eller SMART-EM. Dette fanger detaljer om kemiske processer med 25 billeder i sekundet.

"En af vores kandidatstuderende, Masaya Sakakibara, brugte SMART-EM til at studere adfærden af ​​natriumchlorid (NaCl) - salt, " sagde projektassistentprofessor Takayuki Nakamuro. "For at holde prøver på plads, vi bruger atomtykke kulstof nanohorn, en af ​​vores tidligere opfindelser. Med de fantastiske videoer, Sakakibara fangede, vi bemærkede straks muligheden for at studere de strukturelle og statistiske aspekter af krystalkernedannelse i hidtil usete detaljer."

Nakamuro og hans team så på de videoer, Sakakibara havde fanget og var de første mennesker nogensinde til at se små kubiske krystaller lavet af snesevis af NaCl-molekyler, der dukkede op fra den kaotiske blanding af separate natrium- og chloridioner. Med det samme, de bemærkede et statistisk mønster i den frekvens, hvormed krystallerne opstod; det fulgte det, der er kendt som en normalfordeling, som længe har været teoretiseret, men først nu eksperimentelt verificeret.

"Salt er blot vores første modelstof til at undersøge det grundlæggende i nukleationshændelser, " sagde universitetsprofessor Eiichi Nakamura. "Salt krystalliserer kun på én måde. Men andre molekyler, såsom kulstof, kan krystallisere på flere måder, fører til grafit eller diamant. Dette kaldes polymorfi, og ingen har set de tidlige stadier af kernedannelsen, der fører til det. Jeg håber, at vores undersøgelse giver det første skridt til at forstå mekanismen bag polymorfi."

Holdet har dog ikke kun diamanter i tankerne; polymorfi i krystalvækst er også en væsentlig proces i produktionen af ​​nogle farmaceutiske og elektroniske komponenter.