无序到有序:首次在原子级上拍摄到晶体从无到有的瞬间

结晶是最常见的自然过程之一——怎么,有人没见过水结冰吗。虽说水冰是最常见的晶体,不过中学实验里,更多是用氯化钠溶液来演示盐晶体的生长。

但是在原子水平上,我们对晶体的形成方式(尤其是成核)了解不多,而那是结晶过程的第一步。一部分原因是,它是一个动态的过程,仅存在于微小尺度上,另一部分则是因为随机性,这两者使研究变得困难。

日本东京大学的化学家Takayuki Nakamuro 领导的团队刚刚实现了令人兴奋的突破。自2005年以来,他们一直尝试使用特殊的显影技术,在原子级上拍摄盐结晶的过程。如今,他们如愿以偿。

研究人员说,从医学到工业制造,结晶过程应用广泛,搞清细节有助于实现高精度的操控。

该技术被称为单分子原子分辨率实时电子显微镜或SMART-EM,用于研究分子和分子聚集体。通过将其与新开发的样品制备方法相结合,团队捕获了盐晶体的形成画面。

Nakamuro说:“我的硕士研究生之一,Masaya Sakakibara,使用SMART-EM研究了氯化钠(NaCl)盐的行为。为了把样品固定在适当的位置,我们使用了原子层较厚的碳纳米角,这是我们先前的发明之一。在拍摄了令人惊叹的录像后,我们立即注意到有机会以前所未有的直观方式获取晶体成核在结构和统计方面的细节。”

该团队以每秒25帧的速度记录了从氯化钠溶液中蒸发的水。由振动的碳纳米角抑制分子扩散引起液体,随着数十个盐分子的出现和排列成立方体状而出现了有序的结构。

研究人员说,以前从未观察到或表征过这些预结晶聚集体。

研究人员记录了9次,每次都有将分子排列成簇,在无特征和半有序状态之间波动,然后突然形成晶体的过程:4个原子×6个原子的晶格。团队指出,这些状态与实际晶体有很大不同。

他们还注意到晶体形成,生长和收缩的频率的统计模式。他们发现,成核过程的时间大致遵循正态分布,平均时间为5.07秒。时间和理论相符,但首次经实验证实。

总体而言,他们的结果表明,分子大小及其结构动力学都在成核过程中起作用。理解这一点,就可以通过控制成核过程的空间来精确地控制成核过程。他们甚至可以控制晶体的大小和形状。

研究的下一步将是尝试研究更复杂的结晶,并尝试应用在更广泛的实际场景中。

东京大学的化学家Eiichi Nakamura说:“盐只是我们探究成核事件基本原理的首选典型物质。盐仅以一种方式结晶。但是其他分子(例如碳)可以以多种方式结晶,从而生成石墨或钻石。这被称为多态性,而且没人见过导致其成核的早期阶段。我希望我们的研究为了解多态性机制提供了基础。”

该研究发表在《美国化学学会期刊》上。

原文:https://www.sciencealert.com/watch-the-first-ever-atomic-scale-video-of-salt-crystals-forming

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