Рисунок из молекул жизни

Когда из бесформенного зародыша, возникшего в растворе, вырастает ограненный кристалл, его форма зависит, во-первых, от химического состава. Во-вторых, третьих и четвертых — от температуры, давления и поверхностного натяжения. Управляя этими факторами, кристаллу можно придать необычную форму. А еще иногда важен рельеф поверхности, на которой образовался зародыш. Действие этого фактора можно изучить, если на какую-либо подложку нанести узор и провести кристаллизацию в каплях. То есть разместить на подложке капли раствора и вырастить из них кристаллы. Этот метод хорош еще и тем, что размер последних четко ограничен: он не может стать больше, чем капля. В результате получаются тонкие островки монокристаллических пленок, как это видно на фотографиях, где изображены полученные таким способом кристаллы L-энантиомера аминокислоты валина.

1. Микрорельеф превращает сферическую каплю в подобие медузы со множеством щупалец

И молекулы аминокислоты, и рельеф в виде концентрических спиралей хиральны, то есть асимметричны. Хиральными при высыхании становятся и капли раствора: они как будто натягиваются на элементы рельефа (фото 1). Несимметричная форма приводит к тому, что поле концентраций вокруг образующегося внутри капли зародыша тоже становится хиральным. В результате и сам кристалл закручивается в спираль. Причем направление его закрутки совпадает с направлением спиралей рельефа — это хорошо видно на фото 2, где новый ростовой слой закручивается вправо. Эта же фотография свидетельствует, что механическое взаимодействие с рельефом не может стать причиной такого закручивания: кристалл зародился между микроспиралей подложки и с ними не контактирует. Получается, что главную роль здесь играет именно ставшее асимметричным поле концентраций внутри капли.

2. Асимметричная капля служит «микрореактором» для выращивания хиральных кристаллов. На практике этот метод можно использовать для разделения оптических изомеров. Радужные полосы возникают из-за интерференции света в тонком слое жидкости

А механическое влияние подложки хорошо видно на фото 3. Зарождение кристалла на границе раздела фаз происходит всегда легче, чем в объеме раствора. Вследствие определенной энергетической выгоды вещество предпочитает выделяться из раствора на стенке рельефа, и зародыш начинает повторять форму материнской неровности. Для дальнейшего же роста рельеф ему уже не нужен, поэтому кристаллы быстро распространяются в разные стороны, порождая структуры, подобные звездам.

3. Аминозвезды предпочитают расти на элементах искусственного рельефа

Подложки, украшенные искусственным микрорельефом, были изготовлены из пластин монокристаллического кремния методом фотолитографии. Характерный диаметр выпуклых спиралевидных элементов равен 5 мкм при высоте стенок в 1 мкм. Наблюдать за процессом кристаллизации в поле оптического микроскопа в данных условиях особенно удобно, так как элементы микрорельефа позволяют легко оценивать размер кристаллита. Микрокапли можно нанести на пластину обычным ультразвуковым ингалятором. Наиболее однородные по размеру капли образуются при расположении подложки перпендикулярно потоку воздуха.

А.В. Григорьева,
факультет наук о материалах, МГУ им. М.В. Ломоносова