人类制造晶体有着悠久的历史，自公元前开始进行的盐生产就是一个典型的例子。目前，结晶已成为医药、材料等各个领域不可或缺的技术，但其机理尚不完全清楚。自1913年X射线晶体学提出以来，晶体中原子排列等静态结构已被阐明，但在原子水平上详细观察结晶的动态过程却很难。此次，东京大学研究生院理学研究科化学系特聘教授中村英一领导的研究小组与米乐m6官方网站研究组组长滩田博树领导的研究小组合作，研究了无序分子聚集体形成晶核的过程。原子分辨率透射电子显微镜（注1）录制慢动作视频通过在空间上精确控制结晶过程的最早阶段，我们实现了迄今为止被认为困难的结晶现象的直接观察。通过单分子水平的动态行为分析，我们发现，与晶体不同，迄今为止尚未阐明其性质的结晶前分子集合体的结构会动态变化。这项研究预计将促进尺寸和结构选择性晶体合成方法的发展，并阐明天然矿物质和生物矿物质（例如牙齿和骨骼）的形成机制。
结晶是一种广泛存在于日常生活、生物体和工业过程中的现象，但原子水平上的详细机制一直存在争议。特别是成核，这是最早的结晶过程，由于其随机行为和小时间和空间尺度事件，很难使用常规实验方法进行分析，因此已经开展了使用模拟的理论研究和使用胶体颗粒的模型系统的研究。然而，这些方法都被指出了模型有效性等问题，并且尚未获得结论性的结果。
自 2005 年以来，中村教授等人领导的研究小组。原子分辨率单分子实时电子显微镜（SMART-EM）成像方法（注2）的分子电子显微镜技术，该技术使我们能够视频记录单个小分子的运动，不仅是单个分子，还可以记录分子聚集体。此次，通过将SMART-EM成像方法与新开发的样品制备方法相结合，我们的研究小组成功地连续拍摄并分析了自发组装的分子将其结构转变为有序晶体结构，然后生长为晶体的过程（图1和图2）。
在这项研究中，我们使用氯化钠 (NaCl) 水溶液形成水分散性锥体碳纳米管（CNT，注3）然后通过干燥除去水，我们拍摄了在真空下引入CNT内部的NaCl的结晶。由于锥体的各向异性形状诱导了 CNT 尖端的 NaCl 分子自组装和成核，并且 CNT 内部受限的纳米尺寸空间抑制了分子扩散，因此实现了原子水平的实时观察。捕获的视频显示约 1 纳米（十亿分之一米）的 NaCl 晶核在 CNT 尖端重复形成，具有良好的重现性（图 3）。上述结果表明，通过设计适当的空间，可以在原子水平上精确控制一直被认为难以控制的成核过程。晶体多态性（注4）预计将被开发为一种控制方法。
此外，据揭示，结晶前的分子组装体无法使用常规方法进行研究，通过解离和聚集，在类似于晶体的有序结构和无序结构之间来回变化。到目前为止，还无法阐明结晶前分子聚集体的性质和结构，但这一次，原子分辨率（40 毫秒/帧）的连续高速成像表明，这些聚集体具有极其流动的结构，与晶体不同（图 4）。这一结果表明，不仅分子组装体的尺寸而且其结构动力学在成核过程中都发挥着重要作用，并且是通过观察每个分子的行为而发现的新发现。
自组装过程和相变现象（包括结晶现象）是由许多分子彼此动态相互作用引起的现象。传统上，观察分子组装体中原子级的运动是极其困难的，因此一直从宏观的角度来对待。此次实现的对结晶过程的直接观察证明了从微观角度研究这些现象的可能性，预计不仅会带来自组装和相变现象的新研究进展，而且还将应用于创新分子技术，例如基于分子水平的观察设计和开发具有所需形状和性能的新材料。
这项研究的主要成果是 JSPS 科学研究补助金（项目编号：JP19H05459 用于研究分子和分子组装体动态行为的分子电子显微镜技术开发代表：Eiichi Nakamura、JP20K15123 使用高速分子摄像对结晶过程进行四维分析代表：这项工作得到了 Takayuki Nakamuro 的支持）和日本学会显微镜主席Funa纪念特别研究补助金（用于通过原位观察对纳米晶体动态行为进行开拓性研究；代表人：Takayuki Nakamuro）。电子显微镜视频记录和图像处理的优化是在日本科学技术振兴机构（JST）研究成果扩展项目：先进测量技术和仪器开发计划（问题编号：JPMJSN16B1原子分辨率电子显微镜获得的超快分子视频自动分析技术开发；代表人：原野浩二）的支持下进行的。在本研究中，我们使用原子分辨率透射电子显微镜（JEOL Ltd制造的JEM-ARM200F），这是由国际科学创新中心开发项目引进、由东京大学分子与生命创新研究所运营的共享设备。
图 1：本研究的概念图。在传统的宏观研究中，无法对晶体形成的瞬间进行详细观察，但这次，通过使用碳纳米管作为纳米烧瓶，实现了原子水平的观察。
图 2：原子分辨率电子显微镜视频（40 毫秒/帧）显示 CNT 内 NaCl 晶核的形成。图中的数字是从视频录制开始算起经过的时间。该图像捕捉到了圆锥形 CNT 内长方体 NaCl 晶核的形成过程（504 秒），其宽度为 4 个原子，高度为 6 个原子。红色虚线表示 NaCl 分子组装的位置。图中比例尺为1纳米。
图3：观察到由CNT结构诱导的具有相同尺寸和结构的NaCl晶核重复形成九次，具有良好的再现性（504、2176、3144、4736、5624、6364、7776、10372、12684秒）。成核所需的时间也可重复地分布在 2 至 10 秒内（平均 507 秒）。括号中的数字表示晶核的二维尺寸。图中比例尺为1纳米。
图 4：这项研究阐明了分子组装体形成晶核之前的特性。结果表明，在流动地改变结构的同时，不仅可以瞬时呈现无序结构，而且可以瞬时呈现类似于晶体的有序结构。
Eiichi Nakamura（东京大学特聘教授、东京大学科学研究生院化学系/东京大学名誉教授）
Takayuki Nakamuro（东京大学研究生院理学院化学系特聘助理教授）
Hiroki Nada（米乐m6官方网站环境创造研究部反应场设计研究组研究组组长）
杂志名称：美国化学会杂志（美国化学会杂志）
论文标题：捕捉晶核从无序中出现的瞬间
作者：Takayuki Nakamuro、Masaya Sakakibara、Hiroki Nada、Koji Harano、Eiichi Nakamura*
DOI 号：101021/jacs0c12100
摘要网址：https://dxdoiorg/101021/jacs0c12100