Visualisering af det usynlige:En ny model til at hjælpe med fortolkning af molekylære billeder i atomopløsning

Der er flere måder at skabe to- og tredimensionelle modeller af atomer og molekyler på. Med fremkomsten af ​​banebrydende apparater, der kan afbilde prøver på atomær skala, fandt forskerne ud af, at traditionelle molekylære modeller ikke passede til de billeder, de så. Forskere har udtænkt en bedre måde at visualisere molekyler, der bygger på disse traditionelle metoder. Deres modeller passer godt til de billeddata, de tilegner sig, og de håber, at modellerne derfor kan hjælpe kemikere med deres intuition for fortolkning af molekylære billeder.

Enhver, der læser dette, er sandsynligvis bekendt med traditionelle kugle-og-stik-modeller af atomer og molekyler, hvor kugler af forskellig størrelse og farve repræsenterer de forskellige atomkerner, og pindene repræsenterer egenskaber af bindingerne mellem atomer. Selvom disse er nyttige pædagogiske værktøjer, er de langt enklere end den virkelighed, de afspejler. Kemikere har en tendens til at bruge modeller som Corey-Pauling-Koltun (CPK)-modellen, som ligner bold-og-stick-modellen, men med kuglerne oppustet, så de overlapper hinanden. CPK-modellen fortæller kemikere mere om den måde, hvorpå komponenter i et molekyle interagerer langt bedre end ball-and-stick-modellen.

I de senere år er det endelig blevet muligt ikke kun at fange molekylers strukturer, men endda at optage deres bevægelse og interaktioner i videoer takket være teknologier som atomopløsningstransmissionselektronmikroskopi (AR-TEM). Dette kaldes undertiden "filmisk molekylær videnskab." Det er dog med dette spring i vores evne til at visualisere det usynlige, at ball-and-stick- eller CPK-modellerne bliver en hindring snarere end en hjælp. Da forskere fra Institut for Kemi ved University of Tokyo forsøgte at tilpasse disse modeller med de billeder, de så, løb de ind i nogle problemer.

"Kugle-og-stik-modellen er alt for enkel til nøjagtigt at beskrive, hvad der virkelig foregår på vores billeder," sagde professor Koji Harano. "Og CPK-modellen, som teknisk viser spredningen af ​​elektronskyen omkring en atomkerne, er for tæt til at skelne nogle detaljer. Årsagen er, at ingen af ​​disse modeller demonstrerer de sande størrelser af atomer, som billeder fra AR-TEM viser. "

I AR-TEM-billeder korrelerer størrelsen af ​​hvert atom direkte med det atoms atomvægt, blot kendt som Z. Så professor Eiichi Nakamura og hans team valgte at modificere en bold-og-stick-model, så den passer til deres billeder, hvor hver kerne i modellen blev dimensioneret efter Z-tallet for den kerne, den repræsenterer, og kaldte den Z-korreleret (ZC) molekylær model. De beholdt det samme farvesystem, som blev brugt i CPK-modellen, som oprindeligt blev introduceret af de amerikanske kemikere Robert Corey og Linus Pauling i 1952.

"Et billede er mere end tusind ord værd, og du kan sammenligne AR-TEM-billeder med det første fotografi af et sort hul nogensinde," sagde Nakamura. "De viser begge virkelighed som aldrig set før, og begge er langt mindre klare, end hvordan folk nok forestiller sig, at de ting skal se ud. Det er derfor, modeller er så vigtige, for at bygge bro mellem fantasi og virkelighed. Vi håber, at det Z-korrelerede molekyle model vil hjælpe kemikere med at analysere elektronmikroskopbilleder baseret på intuition uden engang behov for nogen teoretiske beregninger, og åbne op for en ny verden af ​​'filmisk molekylær videnskab'."

Undersøgelsen er offentliggjort i Proceedings of the National Academy of Sciences . + Udforsk yderligere

Banebrydende visualisering af atomare bevægelser