结晶:科学家探测分子结构的诞生

在分子尺度上,许多固体材料显示出原子和分子的有序排列。然而,在许多情况下,这些有序的晶体结构从更无序的物质形式中生长出来

在分子尺度上,许多固体材料显示出原子和分子的有序排列。然而,在许多情况下,这些有序的晶体结构从溶解在溶液中的液体或固体等物质形式得多(思考:盐水)。

在适当的条件下,晶体将开始形成,一小组原子和分子聚集在一起,形成微小的固体“核”。随着时间的流逝,新形成的核周围的原子和分子将它们附着在其上,直到整个系统都排列成有序的晶格为止。该过程在自然界中起着至关重要的作用,并构成了包括冰,珊瑚和火山岩在内的材料的形成。

通过在受控条件下触发成核,研究人员设计了许多现在用于尖端技术的材料。

结晶难题

尽管在各种过程中的重要性很重要,但研究人员仍然不了解晶体成核如何展开。如今,最先进的成像技术使研究人员能够在原子水平上研究样品,并观察它们随着时间的推移如何发展。

然而,成像仍然很困难,因为成核是一个“随机”过程,这意味着核开始形成的时间和地点本质上是随机的。如果研究人员不知道在哪里看,则实验只能为我们提供有关涉及分子机制的有限细节。理论家试图填补空白,但是理论和实验数据之间存在不匹配 – 例如,涉及在某些条件下核形成的速率。

单晶成核谱

为了应对挑战,日内瓦大学的Takuji Adachi与蒙特利尔麦吉尔大学的同事一起提出了一种新方法,涉及两种广泛使用的技术。他们的报告发表在《 PNAS》杂志上。首先是“光学诱捕”,它利用激光束将单个原子或分子局限于固定位置或将其精确地移至预定位置,就像一对微小的镊子一样。第二种技术是“拉曼光谱”,其中激光在分子样品上发射。由于激光光中包含的光子与振动原子和分子相互作用,它们将以样品中包含的分子独有的方式获得或失去能量。换句话说,样品产生了分子“指纹”,使科学家能够确定其组成。

Adachi的团队使用这两种技术,创建了一种新技术,他们称之为“单晶成核光谱”(SCNS)。在他们的实验中,他们使用近红外激光将单个甘氨酸分子限制在水溶液中。 (甘氨酸是最简单的氨基酸,是蛋白质的基础。)如先前的研究所示,光镊会产生一种吸引围绕被限制的甘氨酸分子的力。随后,甘氨酸分子合并为新形成的核。

同时,研究人员使用拉曼激光束探测了细胞核。通过密切监测从细胞核出现的光子中的能量移动,它们可以可视化其晶体结构如何随着时间的流逝而演变。基于它们的拉曼成核甘氨酸光谱,Adachi的团队提出,这些有序的晶体结构从分子的线性网络中出现出来,并由氢键链接在一起。这可能是朝着我们现有的晶体核定理论迈出的重要第一步。进行测试。这将使研究人员能够更好地理解允许成核在特定液体和溶液中最容易发生的条件。

实用晶体学

反过来,阿达奇(Adachi)的团队希望SCN将帮助研究人员工程师更纯净,更稳定的水晶结构。这可能会导致全新的材料类别,更适合高级技术,或者发现新药物,设计为以前所未有的精度针对特定的医疗状况。

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