Большинство людей не задумывается над таинствами процесса кристаллизации, когда замораживают воду для напитков, однако для химика Такаюки Накамуро из Токийского университета это стало делом всей жизни. После 15 лет работы ему удалось воочию увидеть, как этот сложнейший процесс происходит на базовом, атомарном уровне. Аспирант Масая Сакакибара сумел записать видео этого процесса.
За основу была взята технология электронной микроскопии в реальном времени с атомарным разрешением или SMART-EM. Очень много внимания было уделено подготовке проб – японские ученые сконструировали рамку из углерода толщиной в один атом. Она нужна для подавления молекулярной диффузии, чтобы исследуемые атомы не покидали заданной области. Внутрь рамки поместили раствор хлорида натрия – обычной соли.
Видео, записанное со скоростью 25 кадров в секунду, демонстрирует, как из жидкого хаоса появляется кристаллическая решетка. Она имеет размеры четыре на шесть атомов и не отличается стабильностью, но это как раз логично, потому что перед нами еще не полноценный кристалл, а его зародыш. Команда Накамуро провела десятки экспериментов и на практике доказала, что среднее время образования кристалла соответствует расчетному – 5,07 секунды.
Эксперименты с кристаллизацией соли лишь вершина айсберга, потому что это вещество образует кристаллы только одной простой формы. А вот тот же углерод кристаллизуется очень по-разному, благодаря чему один и тот же набор атомов может превратиться в мягкий графит или сверхпрочный алмаз. На следующем этапе японские ученые хотят выяснить, можно ли влиять на процесс кристаллизации на атомарном уровне и как использовать эту технологию на практике.