結晶是最常見的自然過程之一——怎麼，有人沒見過水結冰嗎。雖說水冰是最常見的晶體，不過中學實驗裡，更多是用氯化鈉溶液來演示鹽晶體的生長。
但是在原子水平上，我們對晶體的形成方式(尤其是成核)了解不多，而那是結晶過程的第一步。一部分原因是，它是一個動態的過程，僅存在於微小尺度上，另一部分則是因為隨機性，這兩者使研究變得困難。
日本東京大學的化學家Takayuki Nakamuro領導的團隊剛剛實現了令人興奮的突破。自2005年以來，他們一直嘗試使用特殊的顯影技術，在原子級上拍攝鹽結晶的過程。如今，他們如願以償。
研究人員說，從醫學到工業製造，結晶過程應用廣泛，搞清細節有助於實現高精度的操控。
該技術被稱為單分子原子解析度實時電子顯微鏡或SMART-EM，用於研究分子和分子聚集體。通過將其與新開發的樣品製備方法相結合，團隊捕獲了鹽晶體的形成畫面。
Nakamuro說：「我的碩士研究生之一，Masaya Sakakibara，使用SMART-EM研究了氯化鈉(NaCl)鹽的行為。為了把樣品固定在適當的位置，我們使用了原子層較厚的碳奈米角，這是我們先前的發明之一。在拍攝了令人驚嘆的錄影後，我們立即注意到有機會以前所未有的直觀方式獲取晶體成核在結構和統計方面的細節。」
該團隊以每秒25幀的速度記錄了從氯化鈉溶液中蒸發水的過程。由振動的碳奈米角抑制分子擴散引起液體混沌擾動，隨招數十個鹽分子的出現和排列成立方體狀而出現了有序的結構。
研究人員說，以前從未觀察到或表徵過這些預結晶聚集體。
研究人員記錄了9次，每次都有將分子排列成簇，在無特徵和半有序狀態之間波動，然後突然形成晶體的過程：4個原子×6個原子的晶格。團隊指出，這些狀態與實際晶體有很大不同。
無序到有序：首次在原子級上拍攝到晶體從無到有的瞬間
他們還注意到晶體形成，生長和收縮的頻率的統計模式。他們發現，成核過程的時間大致遵循正態分布，平均時間為5.07秒。時間和理論相符，但首次經實驗證實。
總體而言，他們的結果表明，分子大小及其結構動力學都在成核過程中起作用。理解這一點，就可以通過控制成核過程的空間來精確地控制成核過程。他們甚至可以控制晶體的大小和形狀。
研究的下一步將是嘗試研究更複雜的結晶，並嘗試應用在更廣泛的實際場景中。
東京大學的化學家Eiichi Nakamura說：「鹽只是我們探究成核事件基本原理的首選典型物質。鹽僅以一種方式結晶。但是其他分子(例如碳)可以以多種方式結晶，從而生成石墨或鑽石。這被稱為多態性，而且沒人見過導致其成核的早期階段。我希望我們的研究為了解多態性機制提供了基礎。」
該研究發表在《美國化學學會期刊》上。
