攪拌食鹽（NaCl）的高濃度溶液後，會瞬間出現許多細小結晶。相反，如果沒有外部刺激，則會緩慢成長出大的結晶。雖然這是小學理科實驗中常見的一幕，但這種在結晶表面生成微小的NaCl團簇，並在表面平滑擴散的現象，卻難以用以往的結晶成長理論來解釋。東京大學大學院理學系研究科化學專業的中村榮一特別教授的研究團隊，使用高速、高解析度（原子解析度）的穿透電子顯微術（SMART-EM）以3ms拍攝一幀的速度，成功地將食鹽受機械性刺激後段加速生成結晶的現象影像化，透過原子水平的連續拍攝，首次證明了在沒有外部刺激下晶體幾乎不成長的現象。
圖 透過容器振動促進結晶成長的原理示意圖。由於毛細管現象，分子被彙集到表面能量降低的結晶與容器壁面的間隙部分（圖中陰影部），之後彙集在一起的分子集合體伴隨着容器的振動進一步變化爲結晶層。（Copyright: @2022 American Chemical Society）
研究團隊在2020年就透過電子顯微鏡，逐一捕捉到了原始結晶最初誕生的場面。此次，研究團隊又透過高速攝影，記錄到了原始結晶在緩慢振動的結晶「搖籃」中成長的程序。由此，研究人員發現在分子（離子對）被融入到晶體之前具有在以往的晶體成長理論中被忽略的非週期性構造，並形成了快速轉動的「浮島」狀中間體。
研究人員進一步還發現，在結晶生成容器的花粉內壁與結晶表面之間形成的奈米尺寸的空間内由於毛細管現象將浮島吸入其中，隨着結晶在容器中振動，奈米尺寸空間所具有的表面能量發生變化，浮島的穩定化和不穩定化反復出現，晶體隨之成長。
中村教授介紹說：「本次研究成果定量明確了浮動中間體會在外部機械性刺激下而搖動，從而加快晶體成長速度的現象。這與日常生活及理科實驗中，攪拌溶液等機械刺激會促進結晶的現象相一致。過去，機械性刺激在科學現象中的原理被忽略，今後透過靈活應用這一現象，不僅是結晶，還可應用於對於其他化學現象的精密控制」。
原文：《科學新聞》
翻譯：JST客觀日本編輯部
【論文資訊】
雜誌：ACS Central Science
論文：Cinematographic Recording of a Metastable Floating Island in Twoand Three-Dimensional Crystal Growth
DOI：10.1021/acscentsci.2c01093
