Химики впервые пронаблюдали кристаллизацию на молекулярном уровне

Химики впервые пронаблюдали кристаллизацию на молекулярном уровне

Weizmann Institute of Science

Ученые из Института Вейцмана смогли разобраться, как работает кристаллизация, как молекулы преодолевают тенденцию независимо плавать в жидком растворе и встраиваются в жесткую решетку твердого кристаллического тела. Работа ученых опубликована в журнале Nature Chemistry.

Исследование, проведенное в лаборатории профессора Ронни Ньюмена, позволило непосредственно проследить начальные стадии формирования кристалла и узнать, как молекулы преодолевают энергетический барьер. «Доминирующая теория предполагала, что случайные контактные взаимодействия между молекулами приводят к образованию связи, со временем образуя небольшие скопления, которые становятся затравками для роста больших кристаллов. Однако двигающиеся случайно в растворе молекулы должны выстроиться в определенном порядке для кристаллизации. В последние годы некоторые исследователи стали думать, что этот процесс представляет собой слишком большой энергетический барьер», — объясняет профессор Ньюмен. Предложенные в последние десятилетия теории опирались на предположение, что молекулы скапливаются в так называемой плотной фазе, объединяясь в тесную, но неорганизованную структуру. Кристаллизация из подобного состояния должна происходить с преодолением меньшего энергетического барьера.

Для проверки этих гипотез, группа профессора Ньюмена изготовила крупные жесткие молекулы и заморозила их в растворе. Затем замороженный образец поместили под луч электронного микроскопа, который нагревал смесь лишь до уровня появления движения, а следовательно, и взаимодействия между молекулами. Изменяя состав раствора путем добавления различных ионов, ученые добились прохождения кристаллизации как с плотной фазой в качестве промежуточной, так и без нее. Таким образом, были впервые проведены наблюдения формирования плотной фазы и ее превращения в зародыш кристалла. Несмотря на то, что оба пути приводили к получению кристаллов, анализ показал, что в случае формирования плотной фазы энергетический барьер образования упорядоченной структуры меньше, в полном соответствии с предсказанием теории.

В дополнение к этому, ученые обнаружили, что из плотной фазы получаются более стабильные и крупные кристаллы. Также было выяснено, что расположение молекул в полностью выращенном кристалле, определенное методом рентгеновский кристаллографии, находится в хорошем согласии с организацией групп по несколько молекул в самом начале роста еще на стадии зародыша. Это означает, что силы и факторы, определяющие этот процесс, не меняются на протяжении всего роста.