Команда исследователей из Нью-Йоркского университета создала новый способ визуализации кристаллов, заглядывая внутрь их структур, сродни рентгеновскому зрению. Их новая технология, которую они метко назвали "Кристально чистая", сочетает в себе использование прозрачных частиц и микроскопов с лазерами, которые позволяют ученым видеть каждый элемент, из которого состоит кристалл, и создавать динамические трехмерные модели. "Это мощная платформа для изучения кристаллов", - говорит Стефано Саканна, профессор химии Нью-Йоркского университета и главный исследователь исследования, опубликованного в журнале Nature Materials. "Раньше, если вы рассматривали коллоидный кристалл в микроскоп, вы могли получить представление только о его форме и структуре поверхности. Но теперь мы можем заглянуть внутрь и узнать положение каждого элемента в структуре".
Атомарные кристаллы - это твердые материалы, строительные блоки которых расположены в повторяющемся порядке. Время от времени какой-либо атом отсутствует или находится не на своем месте, что приводит к дефекту. Расположение атомов и дефектов — это то, что создает различные кристаллические материалы — от поваренной соли до алмазов - и придает им их свойства. При изучении кристаллов многие ученые, включая Саканну, обращают внимание на кристаллы, состоящие не из атомов, а из крошечных сфер, называемых коллоидными частицами. Коллоидные частицы крошечные — часто около микрометра в диаметре или в десятки раз меньше человеческого волоса, — но они намного крупнее атомов, и поэтому их легче увидеть под микроскопом.
В своей постоянной работе по пониманию того, как образуются коллоидные кристаллы, исследователи осознали необходимость заглянуть внутрь этих структур. Возглавляемая Шихао Зангом, аспирантом лаборатории Саканны и первым автором исследования, команда решила создать метод визуализации строительных блоков внутри кристалла. Сначала они разработали прозрачные коллоидные частицы и добавили молекулы красителя для их маркировки, что позволило различить каждую частицу под микроскопом по их флуоресценции. Сам по себе микроскоп не позволил бы исследователям заглянуть внутрь кристалла, поэтому они обратились к методу визуализации, называемому конфокальной микроскопией, который использует лазерный луч, проходящий сквозь материал, для получения целенаправленной флуоресценции молекул красителя.
Это позволяет увидеть каждую двумерную плоскость кристалла, которые можно наложить друг на друга, чтобы построить трехмерную цифровую модель и определить местоположение каждой частицы. Модели можно поворачивать, нарезать и разбирать на части, чтобы заглянуть внутрь кристаллов и увидеть любые дефекты. В одной серии экспериментов исследователи использовали этот метод визуализации на кристаллах, которые образуются, когда два кристалла одного типа растут вместе — явление, известное как "двойникование". Когда они заглянули внутрь моделей кристаллов, имеющих структуру, эквивалентную поваренной соли или сплаву меди и золота, они смогли увидеть общую плоскость прилегающих кристаллов, дефект, который приводит к появлению этих особых форм. Эта общая плоскость выявила молекулярное происхождение двойникования.
Помимо изучения статичных кристаллов, этот новый метод позволяет ученым визуализировать кристаллы по мере их изменения. Например, что происходит, когда кристаллы плавятся — перестраиваются ли частицы и перемещаются ли дефекты? В ходе эксперимента, в ходе которого исследователи расплавили кристалл со структурой минеральной соли хлорида цезия, они с удивлением обнаружили, что дефекты были стабильными и не перемещались, как ожидалось. Чтобы подтвердить правильность своих экспериментов со статическими и динамическими кристаллами, команда также использовала компьютерное моделирование для создания кристаллов с одинаковыми характеристиками, подтверждая, что их метод "кристальной чистоты" точно отражает то, что находится внутри кристаллов.
"В некотором смысле, этим экспериментом мы пытаемся отказаться от наших собственных симуляций — если вы сможете заглянуть внутрь кристалла, вам, возможно, больше не понадобятся симуляторы", - шутит Глен Хоки, доцент химии Нью-Йоркского университета, сотрудник Центра вычислительной физической химии Саймонса в Нью-Йоркском университете, и соавтор исследования. Теперь, когда у ученых есть метод визуализации внутренней части кристаллов, им легче изучать их химическую историю и то, как они формируются, что может проложить путь к созданию более совершенных кристаллов и разработке фотонных материалов, взаимодействующих со светом. "Возможность заглянуть внутрь кристаллов позволяет нам лучше понять, как работает процесс кристаллизации, и, возможно, поможет нам оптимизировать процесс выращивания кристаллов с помощью дизайна", - добавляет Саканна.
