Новая техника, названная «Crystal Clear», использует комбинацию прозрачных частиц, микроскопов и лазеров, позволяя ученым видеть каждую единицу, составляющую кристалл, и создавать динамические 3D-модели.
«Это мощный инструмент для изучения кристаллов, — говорит Стефано Саканна, профессор химии Нью-Йоркского университета и ведущий автор исследования, опубликованного в журнале Nature Materials. — Раньше, если вы смотрели на коллоидный кристалл через микроскоп, вы могли видеть только его форму и структуру поверхности. Но теперь мы можем заглянуть внутрь и знать, где находится каждая частица в структуре.»
Атомные кристаллы — это твердые материалы, в которых строительные блоки расположены в повторяющемся и упорядоченном порядке. Иногда атомы отсутствуют или находятся не на своих местах, что приводит к дефектам. Именно расположение атомов и дефектов определяет свойства различных кристаллических материалов, от поваренной соли до алмазов.
Многие ученые, изучающие кристаллы, в том числе Саканна, используют кристаллы, состоящие из крошечных сфер, называемых коллоидными частицами, вместо атомов. Коллоидные частицы очень малы — часто около микрометра в диаметре, что в десятки раз меньше человеческого волоса — но они намного крупнее атомов, что делает их более доступными для изучения под микроскопом.
В своей работе по изучению формирования коллоидных кристаллов исследователи столкнулись с необходимостью заглянуть внутрь этих структур. Под руководством Шихао Занга, доктора философии и первого автора исследования, команда разработала метод визуализации строительных блоков внутри кристалла.
Сначала они создали прозрачные коллоидные частицы и добавили молекулы красителя для их маркировки, позволяя различать каждую частицу под микроскопом по флуоресценции.
Однако один только микроскоп не позволял исследователям заглянуть внутрь кристалла. Поэтому они использовали метод визуализации, называемый конфокальной микроскопией, который использует лазерный луч, сканирующий материал и вызывающий флуоресценцию молекул красителя.
Это позволяет получить изображения каждой двухмерной плоскости кристалла, которые затем можно наложить друг на друга, чтобы построить трехмерную цифровую модель и определить местоположение каждой частицы. Модели можно вращать, нарезать и разбирать, чтобы заглянуть внутрь кристаллов и увидеть любые дефекты.
В одном из экспериментов исследователи применили этот метод визуализации к кристаллам, которые образуются при сращивании двух кристаллов одного типа — явление, известное как «двойникование».
Изучив модели кристаллов со структурой, эквивалентной поваренной соли или сплаву меди и золота, они смогли увидеть общую плоскость прилегающих кристаллов — дефект, который приводит к образованию этих конкретных форм. Эта общая плоскость помогла раскрыть молекулярную природу двойникования.
Новое «рентгеновское зрение» открывает новые возможности для изучения кристаллов и может привести к разработке новых материалов с уникальными свойствами.