בתוך מטריצת הקריסטל: טכניקת "ראיית רנטגן" חדשה רואה גבישים מבפנים

בפיתוח חלקיקים שקופים והדמיית מיקומם, החוקרים שופכים אור על פנים שלא נראו קודם לכן של מבנים גבישיים.

צוות של אוניברסיטת ניו יורק חוקרים יצרו דרך חדשה לדמיין גבישים על ידי הצצה בתוך המבנים שלהם, בדומה לראיית רנטגן. הטכניקה החדשה שלהם – שאותה הם כינו כיאה "Crystal Clear" – משלבת שימוש בחלקיקים שקופים ומיקרוסקופים עם לייזרים המאפשרים למדענים לראות כל יחידה המרכיבה את הגביש וליצור מודלים תלת מימדיים דינמיים.

"זוהי פלטפורמה רבת עוצמה לחקר גבישים", אומר סטפנו סקאנה, פרופסור לכימיה ב-NYU והחוקר הראשי של המחקר, שפורסם בכתב העת חומרי טבע. "בעבר, אם הסתכלת על גביש קולואידי דרך מיקרוסקופ, אתה יכול לקבל רק תחושה של צורתו ומבנה פני השטח שלו. אבל עכשיו אנחנו יכולים לראות פנימה ולדעת את מיקומה של כל יחידה במבנה".

הבנת מבנים גבישיים

גבישים אטומיים הם חומרים מוצקים שאבני הבניין שלהם ממוקמות באופן חוזר ומסודר. מדי פעם, א אָטוֹם חסר או לא במקום, וכתוצאה מכך פגם. סידור האטומים והפגמים הוא זה שיוצר חומרים גבישיים שונים – ממלח שולחן ועד יהלומים – ונותן להם את תכונותיהם.

כדי לחקור גבישים, מדענים רבים, כולל סאקנה, מסתכלים על גבישים המורכבים מכדורים זעירים הנקראים חלקיקים קולואידים ולא אטומים. חלקיקים קולואידים הם זעירים – לרוב בקוטר של כמיקרומטר, או קטנים עשרות מונים משערת אדם – אך הם הרבה יותר גדולים מאטומים ולכן קל יותר לראות אותם במיקרוסקופ.

טכניקות הדמיה מתקדמות

בעבודתם המתמשכת כדי להבין כיצד נוצרים גבישים קולואידים, החוקרים זיהו את הצורך לראות פנימה את המבנים הללו. בהנחיית Shihao Zang, סטודנט לדוקטורט במעבדה של סאקנה והמחבר הראשון של המחקר, הצוות יצא ליצור שיטה להמחיש את אבני הבניין בתוך גביש. הם פיתחו תחילה חלקיקים קולואידים שהיו שקופים והוסיפו מולקולות צבע כדי לסמן אותם, מה שאפשר להבחין בין כל חלקיק במיקרוסקופ באמצעות הקרינה שלהם.

מיקרוסקופ לבדו לא יאפשר לחוקרים לראות בתוך גביש, אז הם פנו לטכניקת הדמיה הנקראת מיקרוסקופיה קונפוקלית, המשתמשת בקרן לייזר שסורקת דרך חומר כדי לייצר פלואורסצנטי ממוקד ממולקולות הצבע. זה חושף כל מישור דו-ממדי של גביש, שניתן להערם זה על גבי זה כדי לבנות מודל דיגיטלי תלת מימדי ולזהות את מיקומו של כל חלקיק. ניתן לסובב את הדגמים, לפרוס אותם ולפרק אותם כדי להסתכל בתוך הקריסטלים ולראות כל פגמים.

בקבוצה אחת של ניסויים, החוקרים השתמשו בשיטת הדמיה זו על גבישים שנוצרים כאשר שניים מאותו סוג של גבישים גדלים יחד – תופעה המכונה "תאומים". כשהם הסתכלו פנימה מודלים של גבישים בעלי מבנים שווים למלח שולחן או א סַגסוֹגֶת של נחושת וזהב, הם יכלו לראות את המישור המשותף של הגבישים הצמודים, פגם שמוליד את הצורות המסוימות הללו. המטוס המשותף הזה חשף את המקור המולקולרי של התאומים.

ניתוח קריסטל דינמי

בנוסף להסתכלות על גבישים סטטיים, הטכניקה החדשה הזו מאפשרת למדענים לדמיין גבישים כשהם משתנים. לדוגמה, מה קורה כאשר גבישים נמסים – האם חלקיקים מתארגנים מחדש והאם פגמים נעים? בניסוי בו המיסו החוקרים גביש במבנה של מלח מינרל צזיום כלוריד, הם הופתעו לגלות שהפגמים יציבים ולא נעו כמצופה.

על מנת לאמת את הניסויים שלהם על גבישים סטטיים ודינמיים, הצוות השתמש גם בסימולציות ממוחשבות כדי ליצור גבישים עם אותם מאפיינים, ואישר ששיטת ה"Crystal Clear" שלהם קלטה במדויק את מה שנמצא בתוך גבישים.

"במובן מסוים, אנחנו מנסים להוציא את הסימולציות שלנו מהעסק עם הניסוי הזה – אם אתה יכול לראות בתוך הגביש, אולי אתה לא צריך סימולציות יותר", מתבדח גלן הוקי, עוזר פרופסור לכימיה בפקולטה של ​​NYU. חבר במרכז סימונס לכימיה פיזיקלית חישובית ב-NYU, והמחבר השותף למחקר.

יישומים עתידיים במחקר קריסטל

כעת, כאשר למדענים יש שיטה להמחיש את החלק הפנימי של גבישים, הם יכולים ללמוד בקלות רבה יותר את ההיסטוריה הכימית שלהם וכיצד הם נוצרים, מה שיכול לסלול את הדרך לבניית גבישים טובים יותר ופיתוח חומרים פוטוניים המקיימים אינטראקציה עם האור.

"היכולת לראות פנימה גבישים נותנת לנו תובנה רבה יותר לגבי אופן פעולת תהליך ההתגבשות ואולי יכולה לעזור לנו לייעל את תהליך גידול הגבישים לפי תכנון", מוסיף סאקנה.

מחברי מחקר נוספים כוללים את אדם האוזר וסנג'יב פול מ-NYU. המחקר נתמך על ידי משרד המחקר של צבא ארה"ב (מספר פרס W911NF-21-1-0011), עם תמיכה נוספת מהמכון הלאומי לבריאות (R35GM138312), והשתמש במשאבי מחשוב גבוהים של NYU IT, כולל אלו שנתמכו על ידי ה-Simons המרכז לכימיה פיזיקלית חישובית ב-NYU (מספר מענק 839534).