Filmpremier: először rögzítettek valós idejű sókristályképződést atomfelbontású videón
A Tokiói Egyetem kémiai tanszékének kutatói a világon elsőként vették filmre a sókristályok valós idejű képződését. Az eljáráshoz atomfelbontású videórögzítést és szénszálas nanotubusokat használtak; ezekkel sosem látott részletességgel figyelhették meg a kristályképződés folyamatát.
A látottak megerősítették a korábbi, a sókristályképződés folyamatára vonatkozó elméleti előrejelzéseket, amelyek azt kutatták, hogy miként alakulnak ki a rendezett szerkezetek az egyébként rendezetlen struktúrájú vegyi anyagokból.
A természetben több formában is megfigyelhetjük a kristályképződést, például hópelyhek, konyhasó vagy gyémánt kialakulásánál. A kristályokat alkotó molekulák szabályos, ismétlődő elrendezése a szerkezetet alkotó molekulák kaotikus tengeréből alakul ki. A rendezetlen és rendezett állapot közti átmenetet, a nukleációt több évszázada tanulmányozzák, de az atomi szintű folyamatokról mostanáig nem sikerült empirikus bizonyítékot szerezni.
A molekulákat már több évtizede tudjuk atomi szinten megfigyelni, de a kristályképződés dinamikus folyamat, és a struktúra kialakulását legalább olyan fontos megfigyelni, mint magát a szerkezetet. A Tokiói Egyetem kutatói azonban egy valós idejű, egymolekulás elektronmikroszkóppal, a SMART-EM-mel másodpercenként 25 képkockából álló felvételt készítettek a folyamatról.
„Az egyik mesterszakos hallgatónk, Sakakibara Maszaja a SMART-EM segítségével tanulmányozta a nátrium-klorid, azaz a konyhasó viselkedését. A minták rögzítéséhez egy korábbi fejlesztésünket, az atomvastagságú szén nanotubusokat használtuk. A Sakikabara által készített lenyűgöző felvételeket látva azonnal észrevettük, hogy ezzel megfigyelhetjük a sókristály magképződésének szerkezeti és statisztikai aspektusait.”
– mondta Nakamuro Takayuki, a projekten dolgozó adjunktus.
Nakamuro és munkatársai megnézték Sakikabara videóit, és megfigyelték a különálló nátrium- és kloridionok kaotikus keverékéből tucatszámra kialakuló apró, kockás kristályokat. A kristályok megjelenésének gyakoriságában azonnal felfedeztek egy statisztikai mintázatot: az úgynevezett normális eloszlást, amit eddig csak elméleti szinten ismertünk, de kísérletben még sosem sikerült bizonyítani.
„A só csak az első modellanyagunk, ami a nukleáció alapjait vizsgálja. A só csak egyféleképpen kristályosodik, de más molekulák, például a szén többféle módon is képes rá; ebből lesz a grafit vagy a gyémánt. Ezt polimorfizmusnak hívják, és sosem tudtunk megfigyelni az ehhez vezető magképződés korai szakaszát. Reméljük, hogy a tanulmányunk lesz az első lépés a polimorfizmus mechanizmusának megértése felé.”
– mondta Nakamura Eicsi, az egyetem professzora.
A kísérletet végző kutatócsoport nemcsak gyémántokat kíván vizsgálni az új eljárással. A polimorfizmus során végbemenő kristálynövekedés folyamatát más eljárásokban, például bizonyos gyógyszerek és elektronikai alkatrészek gyártása során is hasznosíthatják.
Kapcsolódó cikkek a Qubiten: