Ученые впервые наблюдали процесс кристаллизации на молекулярном уровне

Москва, 17:06, 09 Дек 2016, редакция FTimes.ru, автор Сергей Кузнецов.

Кристаллизация является основным химическим процессом, который каждый может увидеть своими глазами. Но ученые никогда не наблюдали этот процесс на молекулярном уровне — то есть, немедленном, в котором молекулы преодолевают свои «индивидуальные наклонности» в жидком растворе и занимают свое место в жесткой решетке кристаллической структуры твердого тела. Исследователи из Института Вайцмана впервые непосредственно наблюдали за процессом кристаллизации на молекулярном уровне, проверяя различные теории о кристаллизации, а также показали, что если человек знает правила роста кристалла, то может предсказать его конечную структуру. Эта работа была опубликована в журнале Nature.

Чтобы скрепиться друг с другом, молекулы должны преодолеть энергетический барьер. Ранее преобладали теории, что возможность контактов между молекулами приводит к их склеиванию, в конечном счете, создавая небольшие кластеры, которые становятся ядром для более крупных кристалликов. Но молекулы, которые движутся хаотично в растворе, должны быть выровнены, чтобы кристаллизоваться. В последние годы исследователи начали думать, что этот процесс может привести к слишком высокому энергетическому барьеру.

Более свежие теории предполагали, что если молекулы собираются вместе в так называемой «плотной фазе», то сначала они собираются близко друг к другу, но неорганизованно, и затем выкристаллизовываются из этого состояния, следовательно, энергетический барьер будет ниже.

Для проверки этих теорий, профессор Нойманн создал большие молекулы и заморозил их в раствор. Затем он поместил замороженный раствор под луч электронного микроскопа, который разогрел смесь достаточно, чтобы позволить какое-то движение, и, таким образом, взаимодействия между молекулами. Регулировка состава раствора путем добавления различных ионов, позволила ученым произвести кристаллизацию без плотной фазы. Под электронным микроскопом удалось впервые наблюдать плотную фазу формирования молекул и последующее преобразование в ядра кристаллов.

Когда появилось состояние кристаллов, экспериментальные результаты показали, что при плотной фазе энергетический барьер для формирования упорядоченного, кристаллического расположении молекул — ниже, чем предсказывала теория.

Также ученые обнаружили, что рост кристаллов, вытекающий из плотных фаз, приводит к более стабильному их зарождению. Кроме того, оказалось, что расположение молекул в полностью выращенных кристаллах, находится в хорошем согласии с теорией о небольших кластерах из нескольких молекул в исходных ядрах.

«Это означает, что силы и факторы, которые определяют процесс, являются постоянными на протяжении всего роста кристалла», — говорит профессор Нойманн.

Результаты исследования задают новые вопросы в области кристаллизации, учитывая на значимость плотной фазы для химической реакционной способности.