Ученые использовали лазеры, чтобы выявить молекулярную структуру, действующую во время зародышеобразования, а также для того, чтобы вызвать зародышеобразование и наблюдать за его спектральным отпечатком. Предоставлено: © Оскар Уркиди

На стыке химии и физики процесс кристаллизации вездесущ в природе и промышленности. Это основа для образования снежинок, а также некоторых активных ингредиентов, используемых в фармакологии. Чтобы явление произошло для данного вещества, оно должно сначала пройти стадию, называемую зародышеобразованием, во время которой молекулы организуются и создают оптимальные условия для образования кристаллов. Хотя было трудно наблюдать динамику перед зародышеобразованием, теперь этот ключевой процесс был обнаружен в результате работы исследовательской группы из Женевского университета (UNIGE). Ученым удалось визуализировать этот процесс спектроскопически в реальном времени и в микрометрическом масштабе, что проложило путь к созданию более безопасных и стабильных активных веществ. Эти результаты можно найти в "Труды Национальной академии наук" (PNAS).

Кристаллизация — это химический и физический процесс, используемый во многих областях, от фармацевтической промышленности до пищевой промышленности. Он используется для выделения газообразного или жидкого вещества в виде кристаллов. Однако это явление характерно не только для промышленности; он повсеместно распространен в природе и его можно увидеть, например, в снежинках, кораллах или камнях в почках.

Чтобы кристаллы образовались из веществ, они должны сначала пройти решающую стадию, называемую зародышеобразованием. Именно во время этой первой фазы молекулы начинают формировать «ядра», устойчивые кластеры молекул, что приводит к развитию и росту кристаллов. Этот процесс происходит стохастически, то есть невозможно предсказать, когда и где образуется ядро. «До сих пор ученые пытались визуализировать эту первую стадию на молекулярном уровне. Микроскопическая картина зарождения кристаллов была предметом интенсивных дискуссий. Недавние исследования показывают, что молекулы, по-видимому, формируют некую неупорядоченную организацию до образования ядер возникает ли из них кристаллический порядок? Это большой вопрос», — объясняет Такудзи Адачи, доцент кафедры физической химии факультета естественных наук UNIGE.

Захват одного события зарождения кристалла за раз

Команда Такудзи Адачи при поддержке двух исследователей химического факультета Университета Макгилла (Натали Ле Мессурье и Лены Симин) сделала решительный шаг, успешно наблюдая процесс зарождения отдельного кристалла в микрометрическом масштабе с помощью оптической спектроскопии. «Нам удалось продемонстрировать и визуализировать организацию и формирование молекулярных агрегатов, предшествующих кристаллизации», — объясняет Джоанна Бразар, научный сотрудник отдела физической химии и соавтор исследования.

Чтобы наблюдать за этим явлением, ученые объединили рамановскую микроспектроскопию — метод, основанный на взаимодействии света с веществом для получения информации о его составе, — и оптический захват. «Мы использовали лазеры, чтобы выделить молекулярную структуру во время зародышеобразования, а также индуцировать явление зародышеобразования и, таким образом, иметь возможность наблюдать его и записывать его спектральный отпечаток», — объясняет Оскар Уркиди, докторант кафедры физической химии и соавтор этого исследования. Модельным веществом, выбранным для проведения этих экспериментов, был глицин , аминокислота, которая является важным строительным элементом жизни, растворенная в воде.

«Наша работа выявила стадию кристаллизации, которая ранее была невидимой, — говорит Такудзи Адачи. — Более точная визуализация и лучшее понимание того, что происходит на молекулярном уровне, очень полезно для более эффективного управления определенными манипуляциями». В частности, это открытие может облегчить получение более чистых и стабильных кристаллических структур для некоторых веществ, используемых при разработке многих лекарств или материалов.