Phát triển kỹ thuật “sức nhìn tia X” để nhìn vào bên trong các tinh thể

Một nhóm các nhà khoa học tại trường đại học New York đã tạo ra một cách mới để thấy các tinh thể bằng việc nhìn vào bên trong cấu trúc của nó với tầm nhìn tia X. Kỹ thuật mới của họ, mang tên “làm rõ tinh thể”, kết hợp cả việc sử dụng các hạt trong suốt với kính hiển vi điện tử với các tia laser cho phép các nhà khoa học thấy từng bộ phận hình thành tinh thể và tạo ra các mô hình động lực ba chiều.

Kỹ thuật mới cho phép các nhà khoa học nhìn vào từng hạt hình thành nên các tinh thể keo và để tạo ra các mô hình động lực ba chiều. Nguồn: Shihao Zang, NYU

“Đây là một nền tảng hữu dụng cho nghiên cứu tinh thể”, theo đánh giá của Stefano Sacanna, giáo sư hóa học tại NYU và là người dẫn dắt nghiên cứu được xuất bản trên tạp chí Nature Materials.

“Trước đây, nếu bạn nhìn vào một tinh thể keo qua một kính hiển vi, bạn chỉ có thể thấy được một hình dạng và cấu trúc bề mặt của nó. Nhưng giờ thì chúng ta có thể nhìn sâu vào bên trong và biết vị trí của mỗi bộ phận bên trong cấu trúc này”.

Các tinh thể nguyên tử là những vật liệu rắn của những khối cơ bản được định vị theo một cách lặp lại có trật tự. Khi một nguyên tử vị mất hoặc lại khỏi vị trí đều dẫn đến một khuyết tật. Sự sắp xếp các nguyên tử và những khuyết tật là nguyên nhân tạo ra các vật liệu tinh thể khác biệt – từ muối ăn đến kim cương – và trao cho chúng đặc tính của mình.

Để nghiên cứu về các tinh thể, nhiều nhà khoa học, trong đó có Sacanna, nhìn vào tinh thể tạo thành từ những quả cầu nhỏ được gọi là các hạt keo. Các hạt keo rất nhỏ – đường kính thường khoảng một micrometer, hoặc nhỏ hơn hàng chục lần sợi tóc người – nhưng lớn hơn các nguyên tử và do đó dễ thấy dưới kính hiển vi.

Một cấu trúc xuyên thấu

Trong công trình nghiên cứu đang thực hiện để hiểu về cách các tinh thể keo hình thành, các nhà khoa học ghi nhận sự cần thiết nhìn vào bên trong các cấu trúc đó. Do Shihao Zang, một nghiên cứu sinh trong phòng thí nghiệm của Sacanna thực hiện và là tác giả thứ nhất của bài báo, nhóm nghiên cứu thiết lập một phương pháp hiển thị các khối cơ bản bên trong một tinh thể.

Đầu tiên họ phát triển các hạt keo trong suốt và thêm các phân tử màu để dán nhãn chúng, khiến cho có thể phân biệt được từng hạt dưới kính hiển vi bằng việc phát huỳnh quang của chúng.

Một kính hiển vi không thể cho phép các nhà nghiên cứu nhìn vào một tinh thể, vì vậy họ áp dụng một kỹ thuật hình ảnh gọi là kính hiển vi cùng tiêu điểm, sử dụng một chùm laser quét qua vật liệu để tạo ra huỳnh quang hướng đích từ các phân tử có chất nhuộm.

Điều này giúp tiết lộ mỗi mặt phẳng hai chiều của một tinh thể, có thể được xếp chồng lên nhau để hình thành một mô hình số ba chiều và nhận ra vị trí của mỗi hạt. Các mô hình có thể quay, tạo phiến và tháo rời để nhìn vào bên trong tinh thể và nhìn thấy bất kỳ khuyết tật nào.

Trong một thí nghiệm của mình, họ sử dụng kỹ thuật hình ảnh này lên các tinh thể hình thành khi hai tinh thể cùng dạng phát triển cùng nhau – một hiện tượng mà người ta gọi là “song tinh”.

https://youtu.be/UkvniZjlhFk

Các tinh thể dịch chuyển

Thêm vào việc nhìn vào các tinh thể tĩnh, kỹ thuật mới này cho phép các nhà khoa học hiển thị các tinh thể khi chúng thay đổi. Ví dụ, những gì xảy ra khi các tinh thể nóng chảy – tái sắp xếp các hạt và các khuyết tật dịch chuyển? Trong một thực nghiệm mà các nhà nghiên cứu nung nóng một tinh thể với cấu trúc của một muối khoáng cesium chloride, họ ngạc nhiên khi thấy những khuyết tật bền vũng và không hề dịch chuyển như chờ đợi.

Để đánh giá thực nghiệm về các tinh thể có động lực và tĩnh, nhóm nghiên cứu đã sử dụng các mô phỏng máy tính để tạo ra các tinh thể với cùng đặc điểm, xác nhận là phương pháp “rõ ràng tinh thể” của mình đã nắm bắt một cách chính xác những gì bên trong các tinh thể.

“Theo nghĩa này, chúng tôi đã cố gắng đặt các mô phỏng vào thực nghiệm này – nếu anh không thể nhìn vào bên trong tinh thể thì anh có thể không cần đến các mô phỏng làm gì nữa”, Glen Hocky, trợ lý giáo sư hóa học NYU, thành viên của Trung tâm Hóa lý tính toán Simons tại NYU, và tác giả liên hệ của công bố, nói.

Hiện tại, các nhà khoa học đã có một phương pháp để hiển thị hóa bên trong các tinh thể, họ có thể nghiên cứu một cách dễ dàng hơn lịch sử hóa học của chúng và cách chúng được hình thành, qua đó có thể tiến thêm một bước trên con đường nuôi cấy tinh thể hoàn hảo hơn và phát triển các vật liệu quang tương tác với ánh sáng.

“Việc có đủ khả năng nhìn vào các tinh thể bên trong giúp chúng tôi có thông tin chuẩn xác hơn về quá trình tinh thể hóa và có thể giúp chúng tôi tối ưu quá trình nuôi tinh thể bằng thiết kế”, Sacanna cho biết thêm.

Thanh Phương tổng hợp

Nguồn: https://phys.org/news/2024-06-scientists-ray-vision-technique-crystals.html

https://www.realclearscience.com/2024/06/04/x-ray_vision_technique_allows_scientists_to_see_inside_crystals_1035720.html

https://www.azom.com/news.aspx?newsID=63122

————————————

1.https://dx.doi.org/10.1038/s41563-024-01917-w

Tác giả