Новая модель, помогающая интерпретировать молекулярные изображения с атомарным разрешением

(Новости НанверкаСуществует несколько способов создания 2D- и 3D-моделей атомов и молекул. С появлением новейших устройств, которые могут отображать образцы в атомном масштабе, ученые обнаружили, что традиционные молекулярные модели не соответствуют изображениям, которые они видели.

Исследователи разработали лучший способ визуализации молекул на основе этих традиционных методов. Их модели хорошо согласуются с данными изображений, которые они получили, и они надеются, что модели помогут интуиции химиков интерпретировать молекулярные изображения. Знакомая периодическая таблица элементов с каждым типом атома выглядит как цветные шарики. Размер каждого атома в модели CPK (вверху) больше, чем в модели с Z-связью (внизу), потому что он зависит от распределения электронов вокруг атома, а не от размера самого ядра. Это важно в электронном микроскопе, где электронное облако не видно. (Фото: Накамура, Харано и др.)

Результаты были опубликованы в Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки («Атомный номер (Z) — связанные атомные размеры для декодирования электронно-микроскопических молекулярных изображений»).

Любой, кто читает это, вероятно, знаком с традиционными моделями атомов и молекул в виде шариков и палочек, где шарики разных размеров и цветов представляют разные атомные ядра, а палочки представляют свойства связей между атомами. Хотя это полезные образовательные инструменты, они намного проще той реальности, которую отражают.

Химики, как правило, используют такие модели, как модель Кори-Полинга-Колтуна (CPK), которая похожа на модель шарика и стержня, но с надутыми шариками, так что они перекрываются. Модель CPK гораздо лучше говорит химикам о том, как взаимодействуют компоненты молекулы, чем модель шарика и стержня.

В последние годы наконец-то стало возможным не только фиксировать структуру молекул, но даже записывать их движение и взаимодействие на видео благодаря таким методам, как просвечивающая электронная микроскопия с атомным разрешением (AR-TEM). Иногда это называют «молекулярной наукой о кино».

Однако с этим скачком в нашей способности визуализировать невидимое шаростержневые модели или модели CPK становятся скорее помехой, чем помощью. Когда исследователи с химического факультета Токийского университета попытались вписать эти модели в изображения, которые они просматривали, они столкнулись с некоторыми проблемами.

Профессор Кодзи Харано сказал: «Модель шарика и стержня слишком проста, чтобы точно описать то, что на самом деле происходит на наших изображениях». А модель CPK, которая технически показывает распространение электронного облака вокруг ядра атома, слишком плотна, чтобы можно было различить некоторые детали. Причина в том, что ни одна из этих моделей не показывает истинных размеров атомов, которые показывают изображения с AR-TEM».

На изображениях AR-TEM размер каждого атома напрямую связан с атомным весом этого атома, известным просто как Z. Поэтому профессор Ичи Накамура и его команда решили изменить модель шарика и стержня, чтобы она соответствовала их изображениям. где каждое ядро ​​расположено в модели. Размер модели был определен в соответствии с номером Z ядра, которое она представляла, и назвал ее Z-связанной (ZC) молекулярной моделью. Они сохранили ту же цветовую схему, что и модель CPK, которая была первоначально введена американскими химиками Робертом Кюри и Линусом Полингом в 1952 году. Сравнение моделей. Z-связанную молекулярную модель исследователей сравнивали с моделями «шарик и стержень» и CPK. (Фото: Накамура, Харано и др.)

«Изображение стоит тысячи слов, и вы можете сравнить изображения AR-TEM с первым в истории изображением черной дыры», — сказал Накамура. «Оба показывают реальность как никогда раньше, и оба гораздо менее ясны, чем люди, вероятно, должны себе представить. Вот почему модели так важны, чтобы преодолеть разрыв между фантазией и реальностью. Надеюсь, Z-связанная молекулярная модель поможет химикам анализировать с помощью электронного микроскопа». images Основанный на интуиции без необходимости каких-либо теоретических расчетов, открывает новый мир «кинематографической молекулярной науки».