Nature Materials: Ученые разработали рентген, позволяющий заглянуть в кристалл

Группа исследователей из Нью-Йоркского университета создала новый способ визуализации кристаллов, позволяющий заглянуть внутрь их структуры, что роднит разработку с рентгеновским зрением.

Новая методика, которую они назвали Crystal Clear, сочетает в себе использование прозрачных частиц и микроскопов с лазерами, которые позволяют ученым видеть каждую единицу, составляющую 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 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.

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. Коллоидные частицы крошечные — часто около микрометра в диаметре, или в десятки раз меньше человеческого волоса, — но они гораздо крупнее атомов, и поэтому их легче увидеть под микроскопом.

Прозрачная структура

В ходе своей работы над пониманием того, как образуются коллоидные кристаллы, исследователи осознали необходимость видеть внутренности этих структур. Под руководством Шихао Цанга, аспиранта из лаборатории Саканны и первого автора исследования, команда задалась целью создать метод визуализации строительных блоков внутри кристалла. Сначала они разработали прозрачные коллоидные частицы и добавили к ним молекулы красителя, что позволило различить каждую частицу под микроскопом с помощью их флуоресценции.

Микроскоп не позволил бы исследователям заглянуть внутрь кристалла, поэтому они обратились к технике визуализации под названием конфокальная микроскопия, 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 исследователи использовали этот метод визуализации на кристаллах, которые образуются, когда два кристалла одного типа растут вместе — явление, известное как «задваивание». 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 этих особых форм. Эта общая плоскость раскрыла молекулярное происхождение задваивания.

Кристаллы в движении

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.

Чтобы подтвердить правильность своих экспериментов со статическими и динамическими кристаллами, команда также использовала компьютерное моделирование для создания кристаллов с теми же характеристиками, подтвердив, что их метод Crystal Clear точно передает то, что находится внутри кристаллов.

В некотором смысле, этим экспериментом мы пытаемся вывести из строя наши собственные симуляции — если вы сможете увидеть внутренности кристалла, то симуляции могут больше не понадобиться, — шутит Глен Хоки, доцент кафедры химии Нью-Йоркского университета, сотрудник Центра вычислительной физической химии имени Саймонса при Нью-Йоркском университете и соавтор исследования.

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, — заключает Саканна.

03.06.2024


Подписаться в Telegram



Хайтек

Physical Review Letters: Ученые описали альтернативный магнетизм
Physical Review Letters: Ученые описали альтернативный магнетизм

Магнитные материалы традиционно классифицируют...

Nature: Международная группа ученых решает сложную физическую задачу
Nature: Международная группа ученых решает сложную физическую задачу

Сильно взаимодействующие системы играют важную...

В MIT разрабатывают бытовых роботов, наделенных здравым смыслом
В MIT разрабатывают бытовых роботов, наделенных здравым смыслом

С помощью большой языковой модели инженеры Мас...

Nature Communications: Открыто революционное явление в жидких кристаллах
Nature Communications: Открыто революционное явление в жидких кристаллах

Исследовательская группа, работающая в UN...

Physical Review Applied: Ниобий воскресили для квантовых технологий
Physical Review Applied: Ниобий воскресили для квантовых технологий

Когда речь заходит о сверхпроводящих куби...

Nature Communications: Совершен прорыв в создании квантовых материалов
Nature Communications: Совершен прорыв в создании квантовых материалов

Исследователи из Калифорнийского универси...

PNAS: Клеточный каркас разобрали на микроскопические пути
PNAS: Клеточный каркас разобрали на микроскопические пути

Исследователи из Принстона применили спле...

Детекторы космических лучей для TAIGA- Muon запустят в серию в ТПУ
Детекторы космических лучей для TAIGA- Muon запустят в серию в ТПУ

Ученые из Томского политехнического униве...

Physical Review Letters: Открыт материал с большим невзаимным поглощением света
Physical Review Letters: Открыт материал с большим невзаимным поглощением света

В основе глобальной интернет-связи лежит оптич...

Applied Surface Science: Открыт путь к мемристорам нового поколения
Applied Surface Science: Открыт путь к мемристорам нового поколения

Мемристорные устройства представляют собой кат...

Поиск на сайте

Знатоки клуба инноваций


ТОП - Новости мира, инновации

Высокоточные измерения ставят под сомнение наше понимание Цефеид
Высокоточные измерения ставят под сомнение наше понимание Цефеид
Physical Review Letters: Ученые описали альтернативный магнетизм
Physical Review Letters: Ученые описали альтернативный магнетизм
Останется ли магний снотворным для кузнечиков в результате потепления?
Останется ли магний снотворным для кузнечиков в результате потепления?
APA: Молодые сотрудники чаще остальных страдают на работе от одиночества
APA: Молодые сотрудники чаще остальных страдают на работе от одиночества
Front. Aging Neurosci: Поведение в новом пространстве может подсветить деменцию
Front. Aging Neurosci: Поведение в новом пространстве может подсветить деменцию
JACS: Инфракрасное облучение заставляет атомы «танцевать румбу»
JACS: Инфракрасное облучение заставляет атомы «танцевать румбу»
С расстройствами пищевого поведения можно бороться силой мысли
С расстройствами пищевого поведения можно бороться силой мысли
Диспаритет женских и мужских карьер в STEM связан с женской мнительностью
Диспаритет женских и мужских карьер в STEM связан с женской мнительностью
Телескоп Уэбб снял столкновение астероидов в соседней звездной системе
Телескоп Уэбб снял столкновение астероидов в соседней звездной системе
EHJ-CI: Нарушенный кровоток может повредить стенку расширенной аорты
EHJ-CI: Нарушенный кровоток может повредить стенку расширенной аорты
Nature Neuroscience: Ученые доказали, что терпение приносит свои плоды
Nature Neuroscience: Ученые доказали, что терпение приносит свои плоды
Journal of Experimental Psychology: General: Мы переоцениваем пользу неудачи
Journal of Experimental Psychology: General: Мы переоцениваем пользу неудачи
Познакомьтесь со странной амфибией, которая выкармливает своих детенышей молоком
Познакомьтесь со странной амфибией, которая выкармливает своих детенышей молоком
Climate Dynamics: Вот как условия на суше влияют на муссонный климат Азии
Climate Dynamics: Вот как условия на суше влияют на муссонный климат Азии
В 40% случаев люди ошибочно называют сгенерированное фото человека реальным
В 40% случаев люди ошибочно называют сгенерированное фото человека реальным

Новости компаний, релизы

Московский Политех внедряет ИИ для повышения эффективности приемной кампании и трансформации обучения
Астрономы СПбГУ узнали возраст одного из самых мощных метеорных потоков
Исследования ученых ТПУ помогут в разработке таргетных препаратов для эффективной терапии в онкологии
Зоологи выявили тенденцию к увеличению числа защитных роговых элементов на панцире морских черепах на острове Шри-Ланка
Российские ученые нашли способ повысить урожайность подсолнечника на 43% с помощью нового серосодержащего удобрения