水晶の起源は最初にビデオに記録されました

ビデオ: 水晶の起源は最初にビデオに記録されました
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水晶の起源は最初にビデオに記録されました
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Anonim
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透過型電子顕微鏡下での結晶核の形成とその成長

物理学者は、塩の結晶の形成と成長をビデオで最初に記録しました。これを行うには、円錐形のカーボンナノチューブと、高フレームレートの強力な電子顕微鏡が必要でした。ビデオは、結晶格子の形成の前に分子の半秩序状態があり、結晶の形成が実際に確率過程であることを示しています。この記事は、Journal of the American ChemicalSocietyに掲載されました。

結晶は、その中の原子または分子が規則正しい3次元格子に配置されているという点でアモルファス固体とは異なります。溶融状態、溶液状態、気体状態、またはアモルファス状態からの結晶の形成は、2つの段階で発生します。最初に、微視的な核が一連の規則正しい粒子の形で現れ、次に他の核がこの核に加わり、その結果、成長し、数センチメートル以上までの巨視的なサイズに達します。

通常の条件下では、冷たい表面の霜や過飽和水溶液の塩など、多くの結晶が成長するのを観察できます。同時に、2つの主な理由から、胚の形成は誰にも直接記録されませんでした。まず、複数の原子や分子で構成されているため、観察には高倍率の電子顕微鏡が必要です。第二に、結晶化の開始は確率論的、つまり大部分がランダムなプロセスです。結晶の形成は、例えばダスト粒子などの媒体または容器の不均一性によって促進されますが、胚の形成の正確な時間と場所を予測することは不可能です。

中室隆行率いる東京大学の研究者グループは、結晶核の形成をビデオで記録することができました。まず第一に、結晶化のためのスペースを制限するために、彼らは単原子の厚さの円錐形のカーボンナノチューブを必要としました、その端は角または密封されたボトルネックに似ています。これらのナノチューブは、塩化ナトリウムの水溶液で満たされ、次に真空を作り出すことによって乾燥された。

次に、ナノチューブは、毎秒約60フレームの周波数で動作し、個々の原子までの分解能で動作する透過型電子顕微鏡下で検査されました。画像は、水がナノチューブに浸透し、乾燥した後、塩のナノ結晶がナノチューブに残っていることを確認しました。その後、科学者たちはナノチューブの閉じた端に焦点を合わせました。ナノチューブは不明確な理由で振動し、振動の作用下で、蒸気の形の塩分子がその端に浸透し、そこで結晶を形成することが判明しました。物理学者は、核がどのように自発的に形成されるか、どのように成長するか、そしてそれがどのように視野を離れてナノチューブのより広い部分に入るのかを十数回観察することに成功しました。

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原子核とその前の半秩序状態からの結晶形成のスキーム

さらに、研究者らは、胚の形成の前に、分子が半秩序状態にある前胚の形成が起こることに気づきました。この半秩序状態は常に相転移と結晶化に先行しますが、前胚も同じように崩壊する可能性があります。とりわけ、核形成時間は正規分布に対応するため、この研究は結晶化の確率的性質を確認しました。

1年前、同じく電子顕微鏡を使用して、科学者はRNAの周りのウイルス粒子の集合を撮影することができました。

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