Tim istraživača sa Univerziteta u Njujorku kreirao je novi način za vizualizaciju kristala zavirivanjem unutar njihovih struktura, slično rendgenskom vidu. Njihova nova tehnika — koju su prikladno nazvali „Cristal Clear“ — kombinuje upotrebu providnih čestica i mikroskopa sa laserima koji omogućavaju naučnicima da vide svaku jedinicu koja čini kristal i da kreiraju dinamičke trodimenzionalne modele.
„Ovo je moćna platforma za proučavanje kristala“, kaže Stefano Sakana, profesor hemije na NIU i glavni istraživač studije, objavljene u časopisu Prirodni materijali.
„Ranije, ako ste gledali koloidni kristal kroz mikroskop, mogli ste samo da steknete osećaj njegovog oblika i strukture površine. Ali sada možemo videti unutra i znati položaj svake jedinice u strukturi.“
Atomski kristali su čvrsti materijali čiji su gradivni blokovi postavljeni na ponavljajući, uredan način. S vremena na vreme, atom nedostaje ili nije na svom mestu, što dovodi do kvara. Raspored atoma i defekata je ono što stvara različite kristalne materijale — od kuhinjske soli do dijamanata — i daje im njihova svojstva.
Da bi proučavali kristale, mnogi naučnici, uključujući Sakanu, traže kristale sastavljene od minijaturnih sfera koje se nazivaju koloidne čestice, a ne atomi. Koloidne čestice su sitne — često oko mikrometra u prečniku, ili desetine puta manje od ljudske kose — ali su mnogo veće od atoma i stoga ih je lakše videti pod mikroskopom.
Providna struktura
U svom tekućem radu da shvate kako se formiraju koloidni kristali, istraživači su prepoznali potrebu da vide unutar ovih struktura. Predvođeni Shihao Zangom, Ph.D. student u Sakaninoj laboratoriji i prvi autor studije, tim je krenuo da kreira metod za vizuelizaciju građevinskih blokova unutar kristala.
Prvo su razvili koloidne čestice koje su bile providne i dodali molekule boje da ih obeleže, što je omogućilo da se svaka čestica razlikuje pod mikroskopom koristeći njihovu fluorescenciju.
Sam mikroskop ne bi dozvolio istraživačima da vide unutrašnjost kristala, pa su se okrenuli tehnici snimanja koja se zove konfokalna mikroskopija, koja koristi laserski snop koji skenira materijal da bi proizveo ciljanu fluorescenciju od molekula boje.
Ovo otkriva svaku dvodimenzionalnu ravan kristala, koje se mogu naslagati jedna na drugu da bi se napravio trodimenzionalni digitalni model i identifikovala lokacija svake čestice. Modeli se mogu rotirati, seći i rastavljati da bi se pogledali unutar kristala i videli eventualni nedostaci.
U jednom skupu eksperimenata, istraživači su koristili ovu metodu snimanja na kristalima koji se formiraju kada dva kristala iste vrste rastu zajedno – fenomen poznat kao „bratimljenje“.
Kada su pogledali unutar modela kristala koji imaju strukturu ekvivalentnu kuhinjskoj soli ili leguri bakra i zlata, mogli su da vide zajedničku ravan spojenih kristala, defekt koji dovodi do ovih posebnih oblika. Ova zajednička ravan otkrila je molekularno poreklo bratimljenja.
Pored posmatranja statičnih kristala, ova nova tehnika omogućava naučnicima da vizualizuju kristale kako se menjaju. Na primer, šta se dešava kada se kristali tope — da li se čestice preuređuju i da li se defekti pomeraju? U eksperimentu u kojem su istraživači istopili kristal sa strukturom mineralne soli cezijum hlorida, bili su iznenađeni kada su otkrili da su defekti stabilni i da se ne kreću kako se očekivalo.
Da bi potvrdili svoje eksperimente na statičkim i dinamičkim kristalima, tim je takođe koristio kompjuterske simulacije za kreiranje kristala sa istim karakteristikama, potvrđujući da je njihova metoda „Cristal Clear“ tačno uhvatila ono što se nalazi unutar kristala.
„U izvesnom smislu, ovim eksperimentom pokušavamo da stavimo van posla naše simulacije – ako možete da vidite unutrašnjost kristala, možda vam više neće trebati simulacije“, šali se Glen Hoki, docent hemije na NIU, fakultetu. član Simonsovog centra za računarsku fizičku hemiju na NIU, i ko-korespondent studije.
Sada kada naučnici imaju metod za vizuelizaciju unutrašnjosti kristala, mogu lakše da proučavaju njihovu hemijsku istoriju i kako se formiraju, što bi moglo otvoriti put za izgradnju boljih kristala i razvoj fotonskih materijala koji reaguju na svetlost.
„Mogućnost da vidimo unutrašnjost kristala daje nam bolji uvid u to kako funkcioniše proces kristalizacije i možda nam može pomoći da optimizujemo proces uzgoja kristala po dizajnu“, dodaje Sakana.
