|
Разгадка древней тайны образования кристаллов
|
|
|
|
Миллион лет назад самый старый из известных видов, прямоходящих как человек, Homo erectus, по-человечески увлекался кристаллами. Историки могут даже определить возможные причины — в то время кристаллы не были похожи ни на что — деревья, долины, горы. Кристаллы были материалом для размышлений, увлекательным развлечением для ума. По сей день озабоченность человека магией кристаллов продолжает занимать умы ученых, которые разработали способы использования кристаллов для всего: от лекарств от малярии до солнечных батарей и полупроводников, катализаторов и оптических элементов. За прошедшие годы кристаллы стали важнейшими компонентами технологий, обеспечивающих современную цивилизацию. Исследователь из Хьюстонского университета Питер Векилов и профессор химической и биомолекулярной инженерии Фрэнк Уорли опубликовали в PNAS ответ на вопрос, как образуются кристаллы и как молекулы становятся их частью. «На протяжении десятилетий исследователи выращивания кристаллов мечтали объяснить химическую реакцию между поступающими молекулами и уникальными участками на поверхности кристалла, которые их принимают, — изломами», — сказал Векилов.
|
|
|
«Механизм этой реакции, то есть характерный масштаб времени и длины, возможные промежуточные соединения и их стабильность, оставался неуловимым и предметом спекуляций на протяжении более 60 лет». Главным препятствием на пути к более глубокому пониманию было отсутствие данных о том, как соединяются молекулы, связанные со сложным процессом перехода от раствора к месту их роста. Чтобы разгадать химическую реакцию между молекулой, которая растворяется в жидкости (растворенном веществе), и изломом, Векилов мобилизовал две трансформационные стратегии: одну с использованием полных органических пар, а вторую с использованием четырех растворителей с различными структурами и функциями. Работая с молекулами, он объединил самые современные экспериментальные методы, включая атомно-силовую микроскопию с временным разрешением in situ с разрешением, близким к молекулярному, дифракцию рентгеновских лучей, абсорбционную спектроскопию и сканирующую электронную микроскопию. Именно тогда Векилов сделал революционное открытие: включение в кинки может происходить в два этапа, разделенных промежуточным состоянием, и стабильность этого среднего состояния является ключом к росту кристаллов.
|
|
|
|
По сути, он определяет, насколько быстро или медленно формируются кристаллы, поскольку влияет на то, насколько легко все может присоединиться во время процесса. Хотя новые открытия не относятся ко временам Homo Sapien, они решают загадку 40-летней давности Векилова. «Представления о промежуточном состоянии и его решающей роли в росте кристаллов опровергают и заменяют доминирующую в этой области идею, выдвинутую моим научным руководителем А.А. Черновым, о том, что активационный барьер роста определяется соотношением растворенное вещество-растворитель. взаимодействия в объеме раствора», — сказал он. Новая парадигма двухэтапного объединения, опосредованного промежуточным состоянием, может помочь понять, как мелкие части жидкости могут влиять на детализированную форму кристаллов, встречающихся в природе. «Не менее важно и то, что эта парадигма будет способствовать поиску растворителей и добавок, которые стабилизируют промежуточное состояние и замедляют рост, например, нежелательных полиморфов», — сказал Векилов. В команду Векилова входят Джереми Палмер, Эрнест Дж. и Барбара М. Хенли, доцент кафедры химической и биомолекулярной инженерии; бывшие аспиранты Раджри Чакрабарти и Лакшманджи Верма; и Виктор Г. Хаджиев, Техасский центр сверхпроводимости в UH.
|
|
|
|
Источник
|
