Швейцарские физики предложили два метода, исправляющих основной недостаток электронной томографии — невозможность рассмотреть кристаллы со всех сторон из-за непрозрачных подложек, держащих образцы. В первом методе подложка, к которой прикреплены кристаллы, скручивается в трубочку с помощью щетки. Во втором методе над подложкой растягиваются нейлоновые нити, которые образуют хаотичный узор. В обоих случаях ученым удалось полностью восстановить информацию о кристаллической структуре материала менее чем по пяти образцам. Статья опубликована в Nature Communications и находится в открытом доступе.
Как правило, ученые определяют структуру кристалла с помощью рентгеноструктурного анализа, основанного на дифракции рентгеновских лучей. Дело в том, что рентгеновские волны такие короткие, что их длина сравнима с расстоянием между атомов кристалла, а потому волны рассеиваются на атомах и образуют сложную дифракционную картину. При этом стоит учитывать, что лучи видят не трехмерную структуру кристалла, а только ее проекцию. При одной ориентации расстояние между плоскостями, вдоль которых движется волна, меньше, при другой ориентации больше. Поэтому форма дифракционной картины — например, расстояние между дифракционными пиками — зависит от ориентации кристалла. Следовательно, кристаллическую структуру образца можно восстановить, снимая его дифракционную картину при разных ориентациях.
К сожалению, рентгеноструктурный анализ работает только для достаточно больших кристаллов, характерный размер которых превышает несколько сотен нанометров. В природе же далеко не все материалы способны сформировать такой большой кристалл. Например, к таким материалам относятся мембранные белки, которые собираются в тонкие двумерные пленки или крошечные многогранники (капсиды). Чтобы разрешить такие мелкие кристаллы, ученые прибегают к электронной томографии, в которой рентгеновские лучи заменяются электронами с гораздо меньшей длиной волны.
За эту возможность приходится платить: в отличие от рентгеновских лучей, прозрачных для большинства материалов, электроны легко взаимодействуют с веществом. Следовательно, подставка, которая в несколько раз больше самого образца, поглощает электроны и мешает рассмотреть кристалл со всех сторон. Как правило, образец удается повернуть не более чем на 75 градусов (в одну сторону). Конечно, существуют методы, которые позволяют восстановить часть недостающей информации, но даже они не могут заменить полноценное всестороннее сканирование. Например, для кристаллов цеолита ZSM-5 характерная величина «слепой зоны» составляет 30 градусов, что отвечает «завершенности» данных около 70 процентов. Из-за этого кристаллическая структура и электростатический потенциал получаются искаженными, и полагаться на них при разработке новых химических соединений нельзя.
Группа физиков под руководством Тима Грюна (Tim Gruene) придумала сразу два способа, с помощью которых можно избавиться от «слепых зон» при сканировании образца. Оба этих способа ученые проверили на примере кристаллов цеолита ZSM-5 с характерным размером порядка 500 нанометров. В обоих случаях собрать 100 процентов информации о кристаллической структуре ученым удалось менее чем с пяти образцов.
Первый способ заключается в том, чтобы провести щеткой по поверхности тонкой углеродной пленки, к которой прикреплены кристаллы цеолита. В результате пленка сворачивается, а кристаллы выстраиваются в случайных направлениях. Чтобы изменить кривизну пленки и число ее витков, достаточно изменить силу, с которой щетка давит на пленку. Во втором способе ученые покрыли поверхность углеродной пленки хаотичным узором из нейлоновых нитей. Из-за нитей кристаллы больше не могли распластаться по плоской пленке, и их ориентация случайно изменялась. Без этих дополнительных приспособлений практически все кристаллы цеолита лежали на пленке в одном и том же положении (собственно, с этим и связана ненулевая величина «слепой зоны» при обычных измерениях).
Авторы статьи отмечают, что предложенный ими метод одинаково хорошо работает для всех кристаллов и позволяет быстро, легко и дешево получить полную информацию об их структуре. При работе с твердыми подложками ученые рекомендуют более дешевый метод с щеткой, а при размещении кристаллов в жидкости (например, в случае белков) — метод с нейлоновыми нитями.
Разумеется, швейцарские физики не первые, кто пытается исправить недостатки электронной томографии. Например, в сентябре 2017 года группа исследователей под руководством Сесиль Эбер (Cécile Hébert) предложила оригинальное решение — вместо того, чтобы наклонять образец и компилировать трехмерное решение из набора двумерных фотографий, ученые научились снимать структуру «одним кадром». Для этого физики использовали расходящийся пучок электронов. Впрочем, даже этот метод может рассмотреть образец только с одной стороны.
Дмитрий Трунин