Det välbekanta periodiska systemet för grundämnen med varje sorts atom visas som färgade kulor. Storleken på varje atom i CPK-modellen (ovan) är större än de i den Z-korrelerade modellen (nedan), eftersom den är baserad på fördelningen av elektroner runt en atom snarare än på själva kärnans storlek. Detta är viktigt vid elektronmikroskopi där elektronmolnet inte är synligt. Kredit:© 2021 Nakamura, Harano et al.
Det finns flera sätt att skapa två- och tredimensionella modeller av atomer och molekyler. Med tillkomsten av banbrytande apparater som kan avbilda prover i atomär skala, fann forskare att traditionella molekylära modeller inte passade de bilder de såg. Forskare har utarbetat ett bättre sätt att visualisera molekyler som bygger på dessa traditionella metoder. Deras modeller passar bra till de bilddata de skaffar sig, och de hoppas att modellerna därför kan hjälpa kemister med deras intuition för tolkning av molekylära bilder.
Alla som läser detta är sannolikt bekanta med traditionella boll-och-stick-modeller av atomer och molekyler, där kulor av olika storlek och färg representerar de olika atomkärnorna, och pinnarna representerar egenskaperna hos bindningarna mellan atomer. Även om dessa är användbara pedagogiska verktyg, är de mycket enklare än den verklighet de speglar. Kemister tenderar att använda modeller som Corey–Pauling–Koltun-modellen (CPK), som liknar boll-och-stick-modellen men med bollarna uppblåsta så att de överlappar varandra. CPK-modellen berättar för kemister mer om hur komponenter i en molekyl interagerar mycket bättre än boll-och-stick-modellen.
Under de senaste åren har det äntligen blivit möjligt att inte bara fånga strukturerna hos molekyler utan även att spela in deras rörelser och interaktioner i videor tack vare teknologier som atomupplösningstransmissionselektronmikroskopi (AR-TEM). Detta kallas ibland "filmisk molekylär vetenskap". Det är dock med detta språng i vår förmåga att visualisera det osynliga som ball-and-stick- eller CPK-modellerna blir ett hinder snarare än en hjälp. När forskare från Institutionen för kemi vid University of Tokyo försökte anpassa dessa modeller med bilderna de såg, stötte de på problem.
"Bull-and-stick-modellen är alldeles för enkel för att exakt beskriva vad som verkligen händer i våra bilder", säger professor Koji Harano. "Och CPK-modellen, som tekniskt visar spridningen av elektronmolnet runt en atomkärna, är för tät för att urskilja vissa detaljer. Anledningen är att ingen av dessa modeller visar de verkliga storlekarna på atomer som bilder från AR-TEM visar. "
I AR-TEM-bilder korrelerar storleken på varje atom direkt med den atomens atomvikt, helt enkelt känd som Z. Så professor Eiichi Nakamura och hans team valde att modifiera en boll-och-stick-modell för att passa deras bilder, där varje kärna i Modellen dimensionerades enligt Z-numret för kärnan den representerar och gav den namnet Z-korrelerad (ZC) molekylär modell. De behöll samma färgsystem som användes i CPK-modellen, som ursprungligen introducerades av de amerikanska kemisterna Robert Corey och Linus Pauling 1952.
"En bild säger mer än tusen ord, och du kan jämföra AR-TEM-bilder med det första fotografiet av ett svart hål någonsin", sa Nakamura. "De visar båda verkligheten som aldrig sett förut, och båda är mycket mindre tydliga än hur folk förmodligen föreställer sig att de sakerna ska se ut. Det är därför modeller är så viktiga, för att överbrygga klyftan mellan fantasi och verklighet. Vi hoppas att den Z-korrelerade molekylen modell kommer att hjälpa kemister att analysera elektronmikroskopbilder baserade på intuition utan att ens behöva några teoretiska beräkningar, och öppna upp en ny värld av "filmisk molekylär vetenskap."
Studien publiceras i Proceedings of the National Academy of Sciences . + Utforska vidare
