Группа ученых из Нью-Йоркского университета создала новый способ визуализации кристаллов, позволяющий заглянуть внутрь их структуры, что сродни рентгеновскому зрению. Новая техника, которая была названа «Crystal Clear», сочетает в себе использование прозрачных частиц и микроскопов с лазерами, которые позволяют видеть каждую единицу, составляющую кристалл, и создавать динамические трехмерные модели, сообщает научное издание EurekAlert!.
«Это мощная платформа для изучения кристаллов. Раньше, если вы смотрели на коллоидный кристалл через микроскоп, вы могли получить представление только о его форме и структуре поверхности. Но теперь мы можем заглянуть внутрь и узнать положение каждой единицы в структуре», – говорит Стефано Саканна, профессор химии Нью-Йоркского университета и автор статьи, опубликованной в журнале Nature Materials.
Атомные кристаллы – это твердые материалы, строительные блоки которых расположены повторяющимся, упорядоченным образом. Время от времени какой-нибудь атом отсутствует или находится не на своем месте, в результате чего образуется дефект. Именно расположение атомов и дефектов создает различные кристаллические материалы – от поваренной соли до алмазов – и придает им свойства.
Для изучения кристаллов многие ученые, в том числе и Саканна, используют не атомы, а кристаллы, состоящие из мельчайших сфер, называемых коллоидными частицами. Они крошечные – часто около микрометра в диаметре, или в десятки раз меньше человеческого волоса, – но гораздо крупнее атомов, и поэтому их легче увидеть под микроскопом.
Под руководством Шихао Цанга, первого автора исследования, команда решила создать метод, позволяющий визуализировать строительные блоки внутри кристалла. Сначала были разработаны прозрачные коллоидные частицы и добавлены к ним молекулы красителя, что позволило различить частицы под микроскопом с помощью флуоресценции.
Микроскоп не позволил бы заглянуть внутрь кристалла, поэтому ученые обратились к технике конфокальной микроскопии, которая использует лазерный луч, сканирующий материал, чтобы вызвать направленную флуоресценцию молекул красителя. Это позволяет выявить каждую двухмерную плоскость кристалла, которые можно сложить друг на друга, чтобы построить трехмерную цифровую модель и определить местоположение каждой частицы. Модели можно вращать, нарезать и разбирать на части, чтобы заглянуть внутрь кристаллов и увидеть любые дефекты.
В одном из экспериментов ученые использовали этот метод, когда два одинаковых типа кристаллов растут вместе – явление, известное как «двойникование». Заглянув внутрь моделей кристаллов, по структуре напоминающих поваренную соль или сплав меди и золота, они увидели общую плоскость примыкающих друг к другу кристаллов – дефект, который приводит к появлению специфических форм. Общая плоскость раскрыла молекулярное происхождение двойников.
Новая техника позволяет ученым не только наблюдать за статичными кристаллами, но и визуализировать их в процессе изменения. Например, что происходит, когда кристаллы плавятся – перестраиваются ли частицы, перемещаются ли дефекты? В эксперименте, в котором исследователи расплавили кристалл со структурой минеральной соли хлорида цезия, они с удивлением обнаружили, что дефекты были стабильны и не перемещались, как ожидалось.
Теперь, когда у ученых есть метод визуализации внутренней части кристаллов, они могут с большей легкостью изучать их химическую историю и процесс формирования, что может проложить путь к созданию более совершенных кристаллов и разработке фотонных материалов, взаимодействующих со светом.
«Возможность видеть внутренности кристаллов дает нам большее представление о том, как происходит процесс кристаллизации, и, возможно, поможет оптимизировать процесс выращивания кристаллов», – добавляет Саканна.
[Фото: Shihao Zang, NYU]