結晶是最常見(jiàn)的自然過(guò)程之一——怎么，有人沒(méi)見(jiàn)過(guò)水結冰嗎。雖說(shuō)水冰是最常見(jiàn)的晶體，不過(guò)中學(xué)實(shí)驗里，更多是用氯化鈉溶液來(lái)演示鹽晶體的生長(cháng)。

但是在原子水平上，我們對晶體的形成方式(尤其是成核)了解不多，而那是結晶過(guò)程的第一步。一部分原因是，它是一個(gè)動(dòng)態(tài)的過(guò)程，僅存在于微小尺度上，另一部分則是因為隨機性，這兩者使研究變得困難。

日本東京大學(xué)的化學(xué)家Takayuki Nakamuro 領(lǐng)導的團隊剛剛實(shí)現了令人興奮的突破。自2005年以來(lái)，他們一直嘗試使用特殊的顯影技術(shù)，在原子級上拍攝鹽結晶的過(guò)程。如今，他們如愿以?xún)敗?/p>

研究人員說(shuō)，從醫學(xué)到工業(yè)制造，結晶過(guò)程應用廣泛，搞清細節有助于實(shí)現高精度的操控。

該技術(shù)被稱(chēng)為單分子原子分辨率實(shí)時(shí)電子顯微鏡或SMART-EM，用于研究分子和分子聚集體。通過(guò)將其與新開(kāi)發(fā)的樣品制備方法相結合，團隊捕獲了鹽晶體的形成畫(huà)面。

Nakamuro說(shuō)：“我的碩士研究生之一，Masaya Sakakibara，使用SMART-EM研究了氯化鈉(NaCl)鹽的行為。為了把樣品固定在適當的位置，我們使用了原子層較厚的碳納米角，這是我們先前的發(fā)明之一。在拍攝了令人驚嘆的錄像后，我們立即注意到有機會(huì )以前所未有的直觀(guān)方式獲取晶體成核在結構和統計方面的細節?！?/p>

該團隊以每秒25幀的速度記錄了從氯化鈉溶液中蒸發(fā)水的過(guò)程。由振動(dòng)的碳納米角抑制分子擴散引起液體混沌擾動(dòng)，隨著(zhù)數十個(gè)鹽分子的出現和排列成立方體狀而出現了有序的結構。

研究人員說(shuō)，以前從未觀(guān)察到或表征過(guò)這些預結晶聚集體。

研究人員記錄了9次，每次都有將分子排列成簇，在無(wú)特征和半有序狀態(tài)之間波動(dòng)，然后突然形成晶體的過(guò)程：4個(gè)原子×6個(gè)原子的晶格。團隊指出，這些狀態(tài)與實(shí)際晶體有很大不同。

他們還注意到晶體形成，生長(cháng)和收縮的頻率的統計模式。他們發(fā)現，成核過(guò)程的時(shí)間大致遵循正態(tài)分布，平均時(shí)間為5.07秒。時(shí)間和理論相符，但首次經(jīng)實(shí)驗證實(shí)。

總體而言，他們的結果表明，分子大小及其結構動(dòng)力學(xué)都在成核過(guò)程中起作用。理解這一點(diǎn)，就可以通過(guò)控制成核過(guò)程的空間來(lái)精確地控制成核過(guò)程。他們甚至可以控制晶體的大小和形狀。

研究的下一步將是嘗試研究更復雜的結晶，并嘗試應用在更廣泛的實(shí)際場(chǎng)景中。

東京大學(xué)的化學(xué)家Eiichi Nakamura說(shuō)：“鹽只是我們探究成核事件基本原理的首選典型物質(zhì)。鹽僅以一種方式結晶。但是其他分子(例如碳)可以以多種方式結晶，從而生成石墨或鉆石。這被稱(chēng)為多態(tài)性，而且沒(méi)人見(jiàn)過(guò)導致其成核的早期階段。我希望我們的研究為了解多態(tài)性機制提供了基礎?！?/p>

該研究發(fā)表在《美國化學(xué)學(xué)會(huì )期刊》上。

https://www.sciencealert.com/watch-the-first-ever-atomic-scale-video-of-salt-crystals-forming