16:01 2022-01-23
science - citeste alte articole pe aceeasi tema
Comentarii Adauga Comentariu
_ Rezolvarea structurii unui cristal atunci când ai doar pulbere
_ Rezolvarea structurii unui cristal când ai doar pulbere
Cristalele dezvăluie geometria ascunsă a moleculelor cu ochiul liber. Oamenii de știință folosesc cristale pentru a descoperi structura atomică a materialelor noi, dar multe nu pot fi crescute suficient de mari. Acum, o echipă de cercetători raportează o nouă tehnică în numărul din 19 ianuarie a revistei Nature, care poate descoperi structura cristalină a oricărui material.
Pentru a înțelege cu adevărat o substanță chimică, un om de știință trebuie să știe cum sunt aranjați atomii ei. . Uneori, este ușor: de exemplu, atât diamantul, cât și aurul sunt formați dintr-un singur fel de atom (carbon sau, respectiv, aur) dispuse într-o rețea cubică. Dar de multe ori este mai greu să-ți dai seama de altele mai complicate.
„Fiecare dintre acestea este un fulg de zăpadă special – creșterea lor este cu adevărat dificilă”, spune fizicianul chimist de la UConn Nate Hohman. Hohman studiază chacogenolații organici metalici. Sunt realizate dintr-un metal combinat cu un polimer organic și un element din coloana 16 a tabelului periodic (sulf, seleniu, teluriu sau poloniu). Unii sunt pigmenți viu colorați; altele devin mai conductoare electric atunci când lumina este strălucită asupra lor; alții fac lubrifianți solizi buni care nu ard la temperaturile ridicate ale rafinăriilor de petrol sau minelor.
Este o familie mare și utilă de substanțe chimice. Dar cei pe care îi studiază Hohman — calcogenolații hibridi — sunt cu adevărat greu de cristalizat. Laboratorul lui Hohman nu a putut rezolva structurile atomice, pentru că nu au putut crește cristale mari perfecte. Chiar și micile cristale sub formă de pulbere pe care le puteau obține erau imperfecte și dezordonate.
Cristalografia cu raze X este modalitatea standard de a descoperi aranjamentele atomice ale materialelor mai complicate. Un exemplu faimos, timpuriu, a fost modul în care Rosalind Franklin l-a folosit pentru a afla structura ADN-ului. Ea a izolat bucăți mari și perfecte de ADN în formă cristalină și apoi le-a iluminat cu raze X. Razele X sunt atât de mici încât difractează prin spațiile dintre atomi, în același mod în care lumina vizibilă difractează prin fantele din metal. Făcând matematica asupra modelului de difracție, puteți da seama de distanța dintre fantele – sau atomii – care l-au creat.
Odată ce cunoașteți structura atomică a unui material, se deschide o lume cu totul nouă. Oamenii de știință din materiale folosesc aceste informații pentru a proiecta materiale specifice pentru a face lucruri speciale. De exemplu, poate aveți un material care îndoaie lumina în moduri reci, astfel încât să devină invizibil sub lumina ultravioletă. Dacă înțelegeți structura atomică, ați putea să o modificați - să înlocuiți un element similar de o dimensiune diferită într-un anumit loc, de exemplu - și să îl faceți să facă același lucru în lumina vizibilă. Voila, o mantie de invizibilitate!
Calcogenolații hibridi, compușii studiați de Hohman, nu te vor face invizibil. Dar ar putea face noi catalizatori chimici și semiconductori excelenți. În prezent, lucrează cu altele pe bază de argint. Preferatul lui, mithrene, este făcut din argint și seleniu și strălucește un albastru strălucitor în lumina UV sau „oricand sunt studenți prin preajmă”, spune Hohman.
Elyse Schreiber, o studentă absolventă la chimie în laboratorul lui Hohman, convinsă Hohman, ar trebui să încerce oricum să lumineze unii dintre calcogenolații hibrizi mici și dezordonați într-un fascicul de raze X de mare putere. Dacă ar putea să-și dea seama de matematică, le-ar rezolva toate problemele.
În timp ce lucra la Linac Coherent Light Source la acceleratorul liniar SLAC din Menlo Park, California, Schreiber l-a întâlnit pe Aaron Brewster, cercetător la Berkeley. Brewster a menționat că a rezolvat matematica necesară pentru a rezolva structura cristalină a materialelor dificile folosind cristalografia cu raze X. Dar avea nevoie de ceva pe care să-l testeze. Hohman și Schreiber aveau materialul. Au furnizat o mulțime de cristale minuscule, imperfecte de calcogenolat, pe care le-au amestecat în apă emulsionată cu săpunul de vase Dawn (un alt element indispensabil în laboratorul lui Hohman, care strălucește în albastru) și le-au aruncat cu jeturi în fasciculul de accelerație. Fiecare impuls de raze X a iluminat cristalele incredibil de puternic, permițându-i lui Brewster să surprindă un instantaneu al structurilor atomice a sute de cristale minuscule. Cu suficiente instantanee, Brewster a reușit să ruleze calculele și să-și dea seama cum erau aranjați atomii.
Nu numai că au rezolvat structurile cristaline, ci și-au dat seama și că cele mai bune presupuneri anterioare despre acele structuri. greșise. Teoretic, tehnica, numită cristalografie femtosecundă în serie cu molecule mici, sau smSFX, poate fi utilizată pentru orice substanță chimică sau material.
Oamenii de știință informatician Nicolas Sauter și Daniel Paley de la Laboratorul Național Lawrence Berkeley au ajutat, de asemenea, la dezvoltarea smSFX. Când ai o pudră adevărată, explică Paley, este ca și cum ai avea un milion de cristale care sunt toate amestecate, pline de imperfecțiuni și amestecate în orice orientare posibilă. În loc să difracte întregul amestec și să obțină o citire tulbure a densităților de electroni, precum tehnicile existente de difracție pe pulbere, smSFX este atât de precis încât poate difracta boabele individuale, pe rând. „Acest lucru îi conferă un efect special de ascuțire”, a spus el. „Deci acesta este de fapt genul de sos secret al acestei metode. În mod normal, împușci toate milioanele deodată, dar acum împușci 10.000 toate în secvență”, spune Paley.
„Există o gamă uriașă de dinamica fizică și chiar chimică fascinantă care are loc la intervale de timp ultrarapide și această tehnică ne-ar putea ajuta să înțelegem modul în care aceste evenimente dinamice afectează structura materialelor microcristaline. Într-un fel, conectând punctele dintre structura unui material și funcția acestuia", explică Schreiber. Hohman este la fel de încântat de succesul lor.
„Acum că putem rezolva aceste structuri greu de cristalizat, putem proiecta cele mai bune” structuri pentru scopurile noastre, spune Hohman. Adesea, un material se va apropia de a avea o anumită proprietate dezirabilă, dar structura sa cristalină nu va fi tocmai corectă. Hohman speră că, cu datele pe care le pot obține din cristalografia cu raze X folosind tehnica lui Brewster, ei pot proiecta materiale mai bune de la zero.
Acum, Hohman și Brewster colaborează cu Tess Smidt, un specialist în învățarea automată. la MIT, pentru a încerca să învețe un computer să proiecteze materiale cu proprietăți specifice.
Această lucrare a implicat utilizarea laserului cu electroni liberi SACLA din Japonia, a Linac Coherent Light Source la SLAC National Accelerator Laboratory și Molecular Foundry și National Energy Research Scientific Computing Centers, Departamentul de Energie al SUA, facilitățile utilizatorilor Biroului de Știință situate la Berkeley Lab.
Comentarii:
Adauga Comentariu