Представлены детальные наблюдения кристаллизации
 Изображения процесса формирования кристаллов карбоната кальция, полученные при помощи просвечивающего электронного микроскопа. (кликните картинку для увеличения) |
|
||||||||
Зарождение отдельных кристаллических зерен – первый шаг в процессе кристаллизации, подразумевающей превращение неупорядоченной фазы в упорядоченную. Процесс зарождения был описан в классической теории кристаллизации еще в XIX веке. Тем не менее, более 100 лет спустя исследователи, работавшие с кристаллизующимися белками, наблюдали процессы, противоречащие сформулированной тогда теории. Как выяснилось, белки часто изначально конденсируются в плотную жидкую фазу, а уже после этого капли данной фазы начинают кристаллизоваться. Впоследствии наблюдались и другие «неклассические» процессы на начальном этапе кристаллизации, иногда с участием аморфных частиц (твердых частиц, не имеющих дальнего порядка, характерного для кристаллов). К примеру, ученые, изучавшие биоминералы, обнаружили, что монокристаллический карбонат кальция начинает свое формирование, как аморфная частица, которая кристаллизуется в течение долгого времени.
Одна из задач, стоящих перед исследователями процессов кристаллизации, - это наблюдение процесса зарождения кристалла, поскольку точка зарождения обычно мала по сравнению с общим числом молекул в системе. Ранее исследователи использовали методики, которые формируют ряд снимков в процессе кристаллизации, прослеживая таким образом изменения фазы, усредненные по большому количеству отдельных актов зарождения. Теперь же ученые предложили альтернативный подход – наблюдение одного единственного акта зарождения от начала и до конца. Совместная группа ученых из Pacific University of California Berkeley, Lawrence Berkeley National Laboratory, Pacific Northwest National Laboratory и University of Washington (США) на практике наблюдала процесс зарождения твердого тела при помощи экспериментальной установки, включавшей в себя просвечивающий электронный микроскоп.
Поставленные эксперименты позволили ученым непосредственно наблюдать действительные пути формирования твердого тела (карбоната кальция) в результате смешивания хлорида кальция и бикарбоната кальция в небольшом сосуде, размеры которого не превышали несколько миллиметров в поперечнике. Толщина слоя смешиваемых веществ при этом была не более нескольких нанометров. Вся эта система находилась в вакуумной камере просвечивающего электронного микроскопа, что позволило исследователям следить за процессом в режиме реального времени.
В рамках своего эксперимента ученые наблюдали различные полиморфы (или структуры, формируемые из карбоната кальция): кальцит, валерит и арагонит. Наряду с полиморфами они наблюдали и аморфный карбонат кальция. Среди кристаллических структур в более крупные формы вырос валерит (при этом некоторые кристаллы сливались между собой). Также в размерах росли неупорядоченные структуры, сохраняя аморфное состояние. А ряд аморфных структур после достижения размера в несколько сотен нанометров начинали сокращаться, пока не превращались в зерна валерита или арагонита.
Таким образом, наблюдение показало, что кристаллы образуются как непосредственно из раствора, так и через аморфных предшественников. В дополнение к этому результату, исследователи получили представление о природе аморфных частиц.
Подробные результаты работы опубликованы в журнале Science.
Также по теме:
- Ученые создали лазер высокой мощности на фотонном кристалле
- Наблюдение роста кристаллов
- Ученые опровергли традиционную теорию образования известняка
- Структурно-направленный синтез увеличивает фракцию химически активных граней кристалла
- Кристаллы (физич.)
Источники: