Длинные зародыши аминокислоты

Процесс кристаллизация многим известен по форме снежинок, образованию разводов изморози на окнах или засахариванию варенья. Явление широко используют в производстве продуктов питания и медикаментов. Однако зарождение и рост кристаллов — далеко не полностью понятые процессы, лежащие на стыке физики и химии.

Кристаллизация происходит в несколько стадий, первую из которых называют нуклеацией, или зародышеобразованием. Ученые активно изучают условия этого часто стохастического и на первый взгляд нерегулярного процесса, при котором молекулы кристаллизующегося вещества динамически организуются в первичные кластеры или формируют другие упорядоченные структуры. Для этого служат самые разнообразные методы, а не только визуально оптические. Последние, правда, остаются основными.

Это еще раз доказала пионерская работа международной группы пятерых ученых под руководством профессора кафедры физической химии химического факультета Женевского университета Адачи Такуджи (Takuji Adachi). С помощью рамановского рассеяния она впервые изучила начальные, не фиксируемые другими методами стадии нуклеации жизненно важной аминокислоты глицина в водном растворе. Рамановская спектроскопия сейчас активно входит в самые разные отрасли естественных наук и материаловедения, поскольку этот метод позволяет исследователям получить уникальную цифровую подпись вещества, которую затем можно расшифровать и перевести в наглядный вид молекулярных соединений.

Лазерное излучение, сфокусированное в насыщенном растворе глицина, не только порождало спектры, но и в месте своего попадания стимулировало начало нуклеации микрокристалла глицина. Следя за изменением спектров в режиме реального времени, исследователи изучили, как перестраиваются молекулярные агрегаты в начале нуклеации. А когда ученые сравнили экспериментальные и модельные спектры, то нашли ранее неизвестную стадию процесса. Оказалось, что молекулы глицина образуют динамически меняющиеся линейные сети, связанные водородными связями.

Эксперимент показал, что зародышеобразование — куда более сложно, чем предсказывает классическая теория нуклеации. Это знание дает возможность контролировать качество образующегося кристалла. В частности, можно будет оптимизировать процессы получения высокочистых веществ в фармацевтике.

Авторы считают, что их методику динамического контроля нуклеации можно будет легко внедрить в массовое производство.

(Proceedings of the National Academy of Sciences, 119 (16), 2022)