JACS：首次透射电镜实时拍摄盐晶体形成的原子分辨率视频

日本电子

2021/01/28 09:26

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仪器信息网讯 2021年1月21日，化学领域国际顶刊《Journal of the American Chemical Society》刊登了东京大学研究团队题为“Capturing the Moment of Emergence of Crystal Nucleus from Disorder ”的研究成果，该成果基于团队一位硕士研究生捕捉到的原子分辨率视频，首次实时拍摄了盐晶体形成的原子分辨率视频，为研究了几个世纪的成核过程理论，首次从原子水平给予实验室验证。

论文链接：DOI: 10.1021/jacs.0c12100

在一个振动的碳纳米角中生长的氯化钠晶体

两项新技术——原子分辨率实时视频和锥形碳纳米管约束技术——帮助研究人员可以看到以往从未见过的晶体形成细节。这些观察证实了关于盐晶体如何形成的理论预测，并可以为一般的理论提供依据，即说明晶体形成如何从无序的化学混合物中产生不同有序结构。

我们生活中，身边的晶体随处可见，如雪花、盐粒甚至钻石。它们由分子的规则和重复排列而组成，而这些排列都是从这些分子的混乱无序的“海洋”中生长出来。从无序状态到有序状态的生长过程被称为成核，尽管已经研究了几个世纪，但直到现在，在原子水平上的确切过程从未被实验证实。

仅仅能够在原子水平上看到分子是不够的——这种能力已经存在了几十年。晶体的生长是一个动态的过程，观察它的生长与观察它的结构一样重要。幸运的是，东京大学化学系的研究人员用他们的单分子原子分辨率实时电子显微镜技术(SMART-EM)解决了这个问题。ZH这项技术以每秒25张图片的速度捕捉化学过程的细节。

“我们的一名硕士学生，Masaya Sakakibara，使用SMART-EM来研究氯化钠盐的行为，”项目助理教授Takayuki Nakamuro说，“为了将样品固定在合适的位置，我们使用了原子厚度的碳纳米角，这是我们之前的发明之一。随着Sakakibara拍摄的令人惊叹的视频，我们立即注意到有机会以前所未有的细节来研究晶体成核的结构和统计方面。”

298k条件锥形CNT中NaCl的九次结晶视频截取(0-44.40 s)。实验条件为:加速电压80 kV，电子剂量率4.0x105 e - nm-2 s-1，每帧曝光时间40毫秒，视频的回放速度与原始录像相同。

298k条件锥形CNT中NaCl的九次结晶视频截取(44.44 - 88.84 s)

298k条件锥形CNT中NaCl的九次结晶视频截取(88.88 - 133.28 s)

Nakamuro和他的团队观看了Sakakibara捕捉到的视频，他们是有史以来第一批看到由几十个NaCl分子组成的微小长方体晶体从分离的钠离子和氯离子的混乱混合物中逐渐形成过程的人。他们也立刻注意到晶体出现频率的统计模式，该模式遵循众所周知的正态分布，这一结果早已被理论化，但直到现在才被实验证实。

Eiichi Nakamura教授说:“盐只是我们探测成核基本原理的第一种模型物质。盐只有一种结晶方式。但其他分子，如碳，可以以多种方式结晶，形成石墨或钻石。这就是所谓的多态性，目前没有人看到导致多态的核形成的早期阶段。我希望我们的研究为理解多态性的机制提供了第一步。”

氯化钠结晶过程研究

该团队的研究成果意义将不仅限于石墨、钻石等，晶体生长中的多态性也是许多制药和电子元件生产中的重要过程。

附：关于实验使用的原子分辨率透射电镜

原子分辨率透射电子显微镜(TEM)观察是在JEOL JEM-ARM200F仪器上进行的，该仪器配有像差校正器(点分辨率为0.10 nm)，在298和473 K, E = 80 kV加速度下，在1×10^–5 Pa的样品柱中，实验采用1~3 μm的球差(Cs)值和电子剂量率(EDR;每秒每nm²电子数每)为2.0×10⁶–1.0×10⁷ e^–nm^–2 s^–1 (200万倍放大)。

在298 K以25fps（每秒帧速率）或在473 K以50fps的帧速率连续记录一系列图像， CMOS相机(Gatan OneView,原位模式,4096×4096像素)在binning 2模式下运行（输出图像大小：2048×2048像素，像素分辨率0.01nm，200万倍）和binning 4模式(输出图像大小:1024×1024像素,像素的分辨率在0.02 nm，200万倍)。所有图像都在Gatan DigitalMicrograph软件上自动处理。为了记录样品的原子分辨率视频，研究者首先在100,000倍的网格上观察整个碳纳米管团聚体，寻找适合仔细分析的锥形碳纳米管。为了深入分析，研究者将放大率提高到200万倍，并开始录像。在图像采集过程中调整了散焦值。图像记录在欠聚焦条件下(散焦值:10 - 20nm)。使用Gatan DigitalMicrograph软件，以.dm4格式录制。