Nature Materials: Ученые разработали рентген, позволяющий заглянуть в кристалл

Группа исследователей из Нью-Йоркского университета создала новый способ визуализации кристаллов, позволяющий заглянуть внутрь их структуры, что роднит разработку с рентгеновским зрением.

Новая методика, которую они назвали Crystal Clear, сочетает в себе использование прозрачных частиц и микроскопов с лазерами, которые позволяют ученым видеть каждую единицу, составляющую кристалл, и создавать динамические трехмерные модели.

Это мощная платформа для изучения кристаллов, — говорит Стефано Саканна, профессор химии Нью-Йоркского университета и главный исследователь исследования, опубликованного в журнале Nature Materials.

Раньше, если вы смотрели на коллоидный кристалл через микроскоп, вы могли получить представление только о его форме и структуре поверхности. Но теперь мы можем заглянуть внутрь и узнать положение каждой единицы в структуре.

Атомные кристаллы — это твердые материалы, строительные блоки которых расположены повторяющимся, упорядоченным образом. Время от времени какой-нибудь атом отсутствует или находится не на своем месте, в результате чего образуется дефект. Именно расположение атомов и дефектов создает различные кристаллические материалы — от поваренной соли до алмазов — и придает им свойства.

Для изучения кристаллов многие ученые, в том числе и Саканна, используют не атомы, а кристаллы, состоящие из мельчайших сфер, называемых коллоидными частицами. Коллоидные частицы крошечные — часто около микрометра в диаметре, или в десятки раз меньше человеческого волоса, — но они гораздо крупнее атомов, и поэтому их легче увидеть под микроскопом.

Прозрачная структура

В ходе своей работы над пониманием того, как образуются коллоидные кристаллы, исследователи осознали необходимость видеть внутренности этих структур. Под руководством Шихао Цанга, аспиранта из лаборатории Саканны и первого автора исследования, команда задалась целью создать метод визуализации строительных блоков внутри кристалла. Сначала они разработали прозрачные коллоидные частицы и добавили к ним молекулы красителя, что позволило различить каждую частицу под микроскопом с помощью их флуоресценции.

Микроскоп не позволил бы исследователям заглянуть внутрь кристалла, поэтому они обратились к технике визуализации под названием конфокальная микроскопия, которая использует лазерный луч, сканирующий материал, чтобы вызвать направленную флуоресценцию молекул красителя. Это позволяет выявить каждую двухмерную плоскость кристалла, которые можно сложить друг на друга, чтобы построить трехмерную цифровую модель и определить местоположение каждой частицы. Модели можно вращать, нарезать и разбирать на части, чтобы заглянуть внутрь кристаллов и увидеть любые дефекты.

В одном из экспериментов исследователи использовали этот метод визуализации на кристаллах, которые образуются, когда два кристалла одного типа растут вместе — явление, известное как «задваивание». Заглянув внутрь моделей кристаллов, по структуре напоминающих поваренную соль или сплав меди и золота, они увидели общую плоскость примыкающих друг к другу кристаллов — дефект, который приводит к появлению этих особых форм. Эта общая плоскость раскрыла молекулярное происхождение задваивания.

Кристаллы в движении

Новая техника позволяет ученым не только наблюдать за статичными кристаллами, но и визуализировать их в процессе изменения. Например, что происходит, когда кристаллы плавятся — перестраиваются ли частицы, перемещаются ли дефекты? В эксперименте, в котором исследователи расплавили кристалл со структурой минеральной соли хлорида цезия, они с удивлением обнаружили, что дефекты были стабильны и не перемещались, как ожидалось.

Чтобы подтвердить правильность своих экспериментов со статическими и динамическими кристаллами, команда также использовала компьютерное моделирование для создания кристаллов с теми же характеристиками, подтвердив, что их метод Crystal Clear точно передает то, что находится внутри кристаллов.

В некотором смысле, этим экспериментом мы пытаемся вывести из строя наши собственные симуляции — если вы сможете увидеть внутренности кристалла, то симуляции могут больше не понадобиться, — шутит Глен Хоки, доцент кафедры химии Нью-Йоркского университета, сотрудник Центра вычислительной физической химии имени Саймонса при Нью-Йоркском университете и соавтор исследования.

Теперь, когда у ученых есть метод визуализации внутренней части кристаллов, они могут с большей легкостью изучать их химическую историю и процесс формирования, что может проложить путь к созданию более совершенных кристаллов и разработке фотонных материалов, взаимодействующих со светом.

Возможность видеть внутренности кристаллов дает нам большее представление о том, как происходит процесс кристаллизации, и, возможно, поможет оптимизировать процесс выращивания кристаллов, — заключает Саканна.

03.06.2024