Зарождение кристалла впервые записали на видео

Физики впервые записали образование и рост зародышей кристаллов соли на видео. Для этого им потребовались конические углеродные нанотрубки и мощный электронный микроскоп с высокой частотой кадров. На видео видно, что формированию кристаллической решетки предшествует полуупорядоченное состояние молекул, а также что образование кристаллов действительно стохастический процесс. Статья опубликована в Journal of the American Chemical Society.

Кристаллы отличаются от аморфных твердых веществ тем, что в них атомы или молекулы располагаются в виде упорядоченной трехмерной решетки. Образование кристаллов из расплава, раствора, газа или аморфного состояния происходит в два этапа — сначала появляется микроскопический зародыш в виде набора упорядоченных частиц, затем к этому зародышу присоединяются другие, в результате чего он растет и может достичь макроскопических размеров вплоть до нескольких сантиметров или больше.

В нормальных условиях можно наблюдать рост множества кристаллов, например, инея на холодной поверхности или соли в перенасыщенном водном растворе. В то же время, образование зародыша никому не удавалось непосредственно зафиксировать по двум основным причинам. Во-первых, поскольку он состоит из нескольких атомов или молекул, для наблюдения требуется электронный микроскоп с сильным увеличением. Во-вторых, начало кристаллизации — это стохастический, то есть во многом случайный процесс. Образованию кристаллов способствуют неоднородности среды или сосуда, например, пылинки, но точное время и место образования зародыша предсказать невозможно.

Группа исследователей из Токийского университета под руководством Такаюки Накамуры (Takayuki Nakamuro) смогла зафиксировать образование кристаллических зародышей на видео. В первую очередь, для ограничения места для кристаллизации им потребовались конические углеродные нанотрубки одноатомной толщины, чьи концы напоминают рог или закупоренное бутылочное горлышко. Эти нанотрубки залили водным раствором поваренной соли NaCl, после чего высушили его путем создания вакуума.

Затем нанотрубки изучили под просвечивающим электронным микроскопом, работающим с частотой около 60 кадров в секунду и разрешением вплоть до отдельных атомов. Снимки подтвердили, что вода проникла внутрь нанотрубок, и после ее высыхания в них остались нанокристаллы соли. Затем ученые сосредоточили внимание на замкнутых концах нанотрубок. Оказалось, что нанотрубки вибрируют по неясной причине, и под действием вибрации молекулы соли в виде паров проникают в ее конец, где образуют кристаллы. Физикам удалось пронаблюдать более десятка раз, как спонтанно образуется зародыш, как он растет и как уходит за пределы поля зрения в более просторную часть нанотрубки. 

Кроме того, исследователи заметили, что формированию зародыша предшествует образование предзародыша, в котором молекулы находятся в полуупорядоченном состоянии. Это полуупорядоченное состояние всегда предшествует фазовому переходу и кристаллизации, но точно также предзародыш может и распасться. Помимо прочего, исследование подтвердило стохастический характер кристаллизации, поскольку времена образования зародышей соответствует нормальному распределению.

Год назад также с помощью электронного микроскопа ученые смогли снять на видео сборку вирусной частицы вокруг РНК.

Василий Зайцев