首次实时形成盐晶体的原子分辨率视频

两种新颖的技术，即原子分辨率实时视频和锥形碳纳米管限制技术，使研究人员可以查看晶体形成之前所未见的细节。这些发现证实了有关盐晶体如何形成的理论预测，并可以为有关晶体形成如何从原本无序的化学混合物中产生不同有序结构的方式提供一般理论的指导。

晶体包括许多熟悉的事物，例如雪花，盐粒甚至钻石。它们是从那些分子的混乱海中生长出来的组成分子的规则且重复的排列。从这种无序状态到有序状态的生长过程被称为成核，尽管已经研究了数百年，但直到现在为止，还没有从实验上证实过原子级的确切发展。

仅仅能够看到原子级的分子还不够，这种能力已经存在数十年了。关于晶体生长的事情是，它是一个动态过程，对晶体发展的观察与对晶体结构的观察一样重要。幸运的是，东京大学化学系的研究人员通过他们的单分子原子分辨率实时电子显微镜技术或SMART-EM解决了这一问题。这以每秒25张图像的速度捕获化学过程的详细信息。

“我们的硕士生之一，Masaya Sakakibara，使用SMART-EM研究了氯化钠（NaCl）盐的行为，”项目助理教授Takayuki Nakamuro说道。 “为了将样品固定到位，我们使用了原子厚的碳纳米角，这是我们先前的发明之一。通过Sakakibara拍摄的精彩视频，我们立即注意到有机会以前所未有的细节研究晶体成核的结构和统计方面。”

Nakamuro和他的团队观看了Sakakibara拍摄的视频，并且是有史以来第一个看到由数十个NaCl分子组成的微小长方体晶体的人，这些晶体是由分离的钠离子和氯离子的混乱混合物产生的。他们立刻就注意到了晶体出现频率的统计模式。它遵循的是所谓的正态分布，这种正态分布早已被理论化，但现在仅通过实验验证。

大学教授中村荣一（Eiichi Nakamura）说：“盐只是我们探究成核事件基本原理的第一种模型物质。”盐只能以一种方式结晶。但是其他分子，例如碳，可以多种方式结晶，从而生成石墨或钻石。这被称为多态性，没有人看到导致它的成核的早期阶段。我希望我们的研究为理解多态性的机理提供了第一步。”

不过，团队不仅在考虑钻石。晶体生长中的多态性也是某些药物和电子元件生产中必不可少的过程。

＃34;从混乱中捕捉晶核出现的瞬间，＆＃34; 美国化学学会杂志：2021年1月21日，doi：10.1021 / jacs.0c12100。 链接（出版物）