Нова техніка «рентгенівського бачення» дозволяє бачити всередині кристалів

Розробляючи прозорі частинки та знімаючи їх положення, дослідники проливають світло на ніколи раніше не бачені внутрішні кристалічні структури. Команда дослідників Нью-Йоркського університету створила новий спосіб візуалізації кристалів, вдивляючись у їхні структури, подібно до рентгенівського зору. Їхня нова техніка, яку вони вдало назвали «Crystal Clear», поєднує використання прозорих частинок і мікроскопів із лазерами, які дозволяють вченим бачити кожну одиницю, яка становить кристал, і створювати динамічні тривимірні моделі.

«Це потужна платформа для вивчення кристалів», — каже Стефано Саканна, професор хімії Нью-Йоркського університету та головний дослідник дослідження, опублікованого в журналі Nature Materials. «Раніше, якщо ви дивилися на колоїдний кристал через мікроскоп, ви могли отримати лише відчуття його форми та структури поверхні. Але тепер ми можемо бачити всередині та знати положення кожного блоку в структурі».

Розуміння кристалічних структур

Атомні кристали — це тверді матеріали, будівельні блоки яких розташовані в порядку, що повторюється. Час від часу атом відсутній або не на своєму місці, що призводить до дефекту. Саме розташування атомів і дефектів створює різні кристалічні матеріали — від кухонної солі до алмазів — і надає їм властивостей.

Щоб досліджувати кристали, багато вчених, у тому числі Саканна, шукають кристали, що складаються з дрібних сфер, які називаються колоїдними частинками, а не атомами. Колоїдні частинки крихітні — часто близько мікрометра в діаметрі або в десятки разів менші за людську волосину, — але набагато більші за атоми, тому їх легше побачити під мікроскопом.

Передові методи візуалізації

У своїй поточній роботі, щоб зрозуміти, як утворюються колоїдні кристали, дослідники визнали необхідність побачити всередині цих структур. Під керівництвом Шихао Занга, аспіранта в лабораторії Саканни та першого автора дослідження, команда вирішила створити метод візуалізації будівельних блоків усередині кристала. Вони вперше розробили колоїдні частинки, які були прозорими, і додали молекули барвника, щоб позначити їх, що дозволило розрізнити кожну частинку під мікроскопом за допомогою їх флуоресценції.

Сам по собі мікроскоп не дозволив би дослідникам побачити всередині кристала, тому вони звернулися до методу візуалізації під назвою конфокальна мікроскопія, яка використовує лазерний промінь, який сканує матеріал для створення цілеспрямованої флуоресценції молекул барвника. Це розкриває кожну двовимірну площину кристала, яку можна накласти одна на одну, щоб побудувати тривимірну цифрову модель і визначити розташування кожної частинки. Моделі можна обертати, розрізати та розбирати, щоб зазирнути всередину кристалів і побачити будь-які дефекти.

В одній серії експериментів дослідники використовували цей метод візуалізації на кристалах, які утворюються, коли два кристали одного типу ростуть разом — явище, відоме як «близнюки». Коли вони зазирнули всередину моделей кристалів зі структурою, еквівалентною кухонній солі або сплаву міді та золота, вони могли побачити спільну площину з’єднаних кристалів, дефект, який породжує ці конкретні форми. Ця спільна площина виявила молекулярне походження близнюків.

Динамічний кристалічний аналіз

Окрім перегляду статичних кристалів, ця нова техніка дозволяє вченим візуалізувати кристали, коли вони змінюються. Наприклад, що відбувається, коли кристали плавляться — чи перегруповуються частинки, чи рухаються дефекти? Під час експерименту, під час якого дослідники розплавили кристал зі структурою мінеральної солі хлориду цезію, вони з подивом виявили, що дефекти були стабільними і не рухалися, як очікувалося.

Щоб перевірити свої експерименти на статичних і динамічних кристалах, команда також використовувала комп’ютерне моделювання для створення кристалів з однаковими характеристиками, підтверджуючи, що їхній метод «Crystal Clear» точно фіксує те, що знаходиться всередині кристалів.

«У певному сенсі цим експериментом ми намагаємося припинити роботу наших власних симуляцій — якщо ви бачите всередині кристала, симуляції вам можуть більше не знадобитися», — жартує Глен Хокі, доцент кафедри хімії Нью-Йоркського університету, факультет член Центру обчислювальної фізичної хімії Саймонса при Нью-Йоркському університеті та співавтор дослідження.

Майбутні застосування в дослідженні кристалів

Тепер, коли вчені мають метод візуалізації внутрішньої частини кристалів, вони можуть легше вивчати їх хімічну історію та те, як вони утворюються, що може прокласти шлях для створення кращих кристалів і розробки фотонних матеріалів, які взаємодіють зі світлом.

«Можливість бачити всередині кристалів дає нам краще розуміння того, як працює процес кристалізації, і, можливо, може допомогти нам оптимізувати процес вирощування кристалів за проектом», — додає Саканна.