Новости химической науки > Теперь можно подглядеть за образованием кристаллов

Зачастую нуклеация и превращения кристаллов протекают неожиданно и самопроизвольно, что оставляет исследователям мало шансов изучать эти протекающие на микроскопическом уровне процессы в деталях. Тем не менее, если создать правильные условия и помочь глазу тщательно подобранным инструментом, эти события, которые, говоря без преувеличения, протекают ежедневно и ежечасно, могут раскрыть ученым свои секреты.

Для изучения особенностей образования кристаллической фазы, исследователи, использовали особым образом модифицированный электронный микроскоп, подобрали условия и смогли наблюдать, как происходит нуклеация, рост и изменение строение кристаллов карбоната кальция.

Наноразмерная частица карбоната кальция, похожая по форме на каплю (круглая) подвергается нуклеации и растет, после чего трансфомируется в арагонит, который продолжает расти, поглощая аморфную фазу.

Результаты исследования говорят о том, что устоявшиеся теоретические представления о том, что рост кристаллов начинается с нуклеации и сопровождается ростом упорядоченной фазы, нельзя считать исчерпывающими. Из исследования также видно и то, что один из наиболее распространенных материалов на Земле часто образуется при реализации сразу нескольких, временами протекающих одновременно механизмов минерализации.

Превращение аморфного карбоната кальция в кристаллический арагонит. (Рисунок из Science 2014, DOI: 10.1126/science.1254051)

Как заявляет руководитель исследования, Джеймс Де Йорео (James J. De Yoreo) из Тихоокеанской Северо-западной Национальной лаборатории США, он и его коллеги десятилетиями изучали механизм кристаллизации карбонатов с помощью мощных микроскопов, но до недавнего времни у исследователей не было инструмента, позволяющего следить за формированием кристаллов в режиме реального времени. Теперь у исследователей есть такой инструмент – микроскоп с плавающей ячейкой (microscope flow cell), позволяющий следить за протеканием жидкофазных реакций на наноуровне.

Исследователи загружали в ячейку очень небольшие количества растворов карбоната натрия и хлорида кальция. При выбранных путем оптимизации концентрациях реагентов и скорости их смешения кристаллы начинали расти и видоизменяться, раскрывая детали, которые ранее не были известны исследователям.

В ряде случаев в растворе образовывались аморфные каплеобразные частицы карбоната кальция, однако внезапно на поверхности этих частиц появлялись кристаллические фазы карбонатных минералов арагонита и ватерита и продолжали расти «за счет» аморфных частиц. В других случаях исследователи наблюдали образование кристаллов кальцита и других фаз CaCO₃, нуклеация и рост которых протекали независимо друг от друга при относительной близости расположения разных кристаллических фаз в растворе.

Как отмечает специалист по микроскопии из Технологического Университета Эйндховена (Нидерланды) Нико Соммердийк (Nico A. J. M. Sommerdijk), в настоящее время исследователи достигли того волнующего момента, начиная с которого стало возможным провести детальное исследование обычных жидкофазных реакций, как например образование кристаллов карбоната кальция. Он добавляет, что исследование подтверждает существование множественных и в ряде случаев протекающих одновременно актов кристаллизации, о которых исследователи предполагали, однако не могли подтвердить их существование на базе прежних экспериментов.

Источник: Science 2014, DOI: 10.1126/science.1254051

метки статьи: #кристаллохимия, #физическая химия, #химия поверхности, #химия твердого тела