Två nya tekniker, atomär upplösning realtidsvideo och koniska kolnanorörsinneslutning, tillåta forskare att se aldrig tidigare sett detaljer om kristallbildning. Observationerna bekräftar teoretiska förutsägelser om hur saltkristaller bildas och skulle kunna informera allmänna teorier om hur kristallbildning producerar olika ordnade strukturer från en annars oordnad kemisk blandning.

Kristaller inkluderar många välbekanta saker, som snöflingor, saltkorn och till och med diamanter. De är regelbundna och återkommande arrangemang av ingående molekyler som växer från ett kaotiskt hav av dessa molekyler. Tillväxtprocessen från detta oordnade tillstånd till ett ordnat är känt som kärnbildning, och även om det har studerats i århundraden, de exakta händelserna på atomnivå har aldrig experimentellt bekräftats, tills nu.

Det räcker inte bara att kunna se molekyler på atomnivå – den förmågan har funnits med oss ​​i några decennier nu. Grejen med en kristalls tillväxt är, det är en dynamisk process och observationer av dess utveckling är lika viktiga som observationer av dess struktur. Lyckligtvis, forskare vid Institutionen för kemi vid University of Tokyo löste detta med sin enmolekylära atomupplösning i realtid elektronmikroskopi, eller SMART-EM. Detta fångar detaljer om kemiska processer med 25 bilder per sekund.

"En av våra masterstudenter, Masaya Sakakibara, använde SMART-EM för att studera beteendet hos natriumklorid (NaCl) - salt, " sa projektassistenten Takayuki Nakamuro. "För att hålla prover på plats, vi använder atomtjocka kolnanohorn, en av våra tidigare uppfinningar. Med de fantastiska videor Sakakibara fångade, vi märkte omedelbart möjligheten att studera de strukturella och statistiska aspekterna av kristallkärnbildning i oöverträffad detalj."

Nakamuro och hans team tittade på videorna Sakakibara hade fångat och var de första människorna någonsin att se små kubiska kristaller gjorda av tiotals molekyler av NaCl som dyker upp från den kaotiska blandningen av separata natrium- och kloridjoner. Genast, de märkte ett statistiskt mönster i frekvensen med vilken kristallerna kom fram; den följde vad som kallas en normalfördelning, som länge har teoretiserats men först nu experimentellt verifierats.

"Salt är bara vår första modellsubstans för att undersöka grunderna för kärnbildningshändelser, " sa universitetsprofessor Eiichi Nakamura. "Salt kristalliserar bara på ett sätt. Men andra molekyler, som kol, kan kristallisera på flera sätt, leder till grafit eller diamant. Detta kallas polymorfism och ingen har sett de tidiga stadierna av kärnbildningen som leder till det. Jag hoppas att vår studie ger det första steget i att förstå mekanismen för polymorfism."

Laget har dock inte bara diamanter i åtanke; polymorfism i kristalltillväxt är också en viktig process i produktionen av vissa farmaceutiska och elektroniska komponenter.