Химики впервые пронаблюдали кристаллизацию на молекулярном уровне

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.