從出生就決定形狀的氯化鈉晶體

原子、離子怎麼一個個聚集起來變成固體的?一直以來只有理論和模擬,從來沒有被「真正」觀察到。這回科學家終於在電子顯微鏡的幫助下,首次捕捉到鹽類結晶的過程。

編譯/陳藹然

結晶是指原子或分子排列成高度秩序固體的過程,常見的晶體包含鹽、糖等。

從1913年X光晶體結構解析方法發明以來,雖然已知晶體裡分子、原子或離子的排列秩序,但畢竟是靜態固體結構。要直接觀察動態的結晶過程一直是研究上無法克服的難題。

日本東京大學中村榮一教授團隊,使用最新的電子顯微鏡,首度拍攝到奈米等級鹽晶體生成的即時影像。

在影片裡,科學家將圓錐狀的奈米碳角(carbon nanohorns)前端沾上一點鹽水,而後放進真空裡觀察。稍微震動奈米碳管後發現氯化鈉分子開始聚集在封閉的奈米碳角尖端處,5秒內就形成4x4x6,約100個原子組成的方形氯化鈉晶核。從影像中很清楚可看到氯化鈉分子排列成整齊的方形固體。

圖說:氯化鈉在震動奈米碳角中的結晶過程。(圖片來源:參考資料2)

 

能夠成功觀察到氯化鈉結晶過程影像,有兩個大功臣:每秒能夠捕捉25張影像的「單分子原子級解析度電子顯微鏡即時影像技術 (single-molecule atomic-resolution real-time electron microscopy technique, or SMART-EM)」,與只有一個碳原子厚度的「奈米碳角」。氯化鈉分子被限制在圓錐狀的奈米碳管尖端部分。氯化鈉分子從無秩序地分散態,先聚集成晶核前驅體(分子集合體),再排列整齊變成晶核。

圖片來源:參考資料3

 

結晶過程包含「晶核生成」與「晶體成長」兩步驟。反覆數次的實驗,都能觀察到相同氯化鈉晶體的成長過程與形狀。中村教授說,這是很有趣的現象,氯化鈉晶體就最開始形成就是正方形,即使晶體變大形狀也不會改變。

晶體的成長與控制,對製藥和材料研究發展上有極大意義。中村教授說,雖然鹽類的結晶只有一個方式,但是其他物質,例如碳,可以變成石墨、鑽石等不同的晶體結構。這些多態性物質的長晶過程依舊沒有被實際觀察到,這是我們未來的研究目標。

 

參考資料:

  1. “「食塩の結晶できる瞬間」最新の顕微鏡で撮影に成功” NHKニュース おはよう日本 (2021.2.1)
  2. Capturing the Moment of Emergence of Crystal Nucleus from Disorder J. Am. Chem. Soc. 2021, 143, 4, 1763–1767
  3. 結晶はどうやってできる?その瞬間を見た!(Crystal close up First-ever atomic resolution video of salt crystals forming in real time)” 東京大學理學部2021年 プレスリリース (日文英文
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