Wiadomo, jak tanio przyłapać wodór w krysztale

Wyobraźmy sobie zdjęcie klasowe, które nie do końca wyszło. Wprawdzie większość dzieci wygląda świetnie, ale dziwnym trafem kilku najmniejszych uczniów poruszyło się i wyszło niewyraźnie. A co to za zdjęcie klasowe, jak nie wszystkich dobrze widać? Fotograf powtarza więc ujęcie i... znowu to samo. Te same osoby znów wychodzą zamazane. To nie przypadek. Powtarza się to na każdym kolejnym zdjęciu. Okazuje się, że można tej klasie zrobić dobre i wyraźne zdjęcie, ale potrzebny do tego jest wybitny fotograf z nowoczesnym aparatem fotograficznym. A to kosztuje majątek.

FOTOSZOP DO KRYSZTAŁÓW

Analogiczny problem mieli krystalografowie, którzy badają skład m.in. białek czy związków organicznych. Tanie i powszechnie stosowane metody rentgenowskie pozwalały poznać budowę kryształów i ustalić położenie większości atomów w cząsteczkach. Problem był jednak z najmniejszymi atomami - atomami wodoru. Ich położenie było w tych tanich badaniach zawsze wyznaczane mniej precyzyjnie i mniej dokładnie niż innych atomów. Tradycyjne analizy z użyciem promieni X pokazywały bowiem, że atomy wodoru przytulają się do swoich większych sąsiadów. Ale z droższych i bardziej dokładnych badań neutronowych wiadomo już było, że wcale tak nie jest – atomy wodoru leżą nieco dalej od atomów, z którymi się wiążą.

Badacze z polsko-niemiecko-australijskiego zespołu pokazali jednak, że posługując się tymi dobrze znanymi już metodami zbierania danych rentgenowskich, można wskazać położenie atomów wodoru o wiele dokładniej. Wcześniej długość wiązania wodoru z innym pierwiastkiem zakłamana była o ok. 10 proc., a okazało się, że błąd ten udaje się zniwelować do 1-2 proc. Trzeba jednakże inaczej przetwarzać dane z badań.

Wracając do analogii fotografii klasowej - naukowcy opracowali coś na kształt programu do obróbki zdjęć, dzięki któremu można sprawić, że niewyraźne twarze dzieci stają się ostre. Dzięki temu zdjęcie zrobione tanim sposobem wygląda jak praca ekskluzywnego fotografa. Badania zespołu ukazały się w prestiżowym czasopiśmie "Science Advances"  pod koniec maja. W badaniach brali udział naukowcy z Polski (Magdalena Woińska, Paulina Dominiak, Krzysztof Woźniak), z Niemiec (Simon Grabowsky) i z Australii (Dylan Jayatilaka). 

WODÓR - MAŁY, ALE WSPANIAŁY

"Atomy wodoru są powszechnie obecne w większości związków organicznych - stanowią zewnętrzną otoczkę wielu molekuł, a to sprawia, że uczestniczą w różnego rodzaju oddziaływaniach między cząsteczkami. To m.in. te oddziaływania mają znaczenie w układach biologicznych i reakcjach biochemicznych oraz w procesach katalizy" - opowiada w rozmowie z PAP jedna z autorek badania Magdalena Woińska z Wydziału Chemii Uniwersytetu Warszawskiego. Dlatego naukowcom zależało na możliwości jak najdokładniejszego wyznaczania pozycji tych atomów w kryształach.

"Dotąd uważano, że jedyną metodą wyznaczania pozycji atomów wodoru w krysztale pozwalającą uniknąć znaczących błędów jest dyfrakcja promieniowania neutronowego. To jednak metoda bardzo droga i słabo dostępna" - opowiada M. Woińska. Wyjaśnia, że potrzebna jest do tego droga aparatura - np. źródła neutronów przy reaktorach jądrowych.

"A my chcielibyśmy do badania pozycji atomów wodoru stosować tanie i powszechnie dostępne metody wykorzystujące promieniowanie rentgenowskie. Dotąd uważano, że to niemożliwe. My pokazaliśmy jednak, że jeśli użyje się odpowiednich metod przetwarzania danych pochodzących z eksperymentów z użyciem promieniowania X, można zbliżyć się do precyzji i dokładności badań neutronowych" - przyznaje badaczka z UW. Wyjaśnia, że pozwala na to opisana w publikacji tzw. metoda HAR (Hirshfeld Atom Refinement) - udokładnienia rentgenowskich danych krystalograficznych.

Na razie metodę można zastosować do analizy tylko niektórych kryształów - tych, dla których można zebrać dobrej jakości dane rentgenowskie. Badacze mają jednak nadzieję, że z czasem krystalografowie będą mogli tanio analizować w ten sposób kryształy znacznie szerszej gamy substancji.

Krystalografia jest zaś jedną z najpewniejszych metod wyznaczania struktury związków. Aby przeprowadzić analizę z użyciem metod krystalograficznych, potrzebny jest związek w postaci kryształu. A kryształy wyhodować można na szczęście np. z wielu związków - zarówno organicznych, jak i nieorganicznych. Krystalografia jest więc bardzo pomocna w analizie różnego rodzaju substancji, również w badaniu struktury i funkcji białek w organizmach żywych.

Podczas eksperymentu krystalograficznego wiązkę promieniowania - np. rentgenowskiego, neutronowego czy elektronowego - kieruje się na kryształ. Promieniowanie to oddziałuje z atomami w krysztale, ulegając rozproszeniu (inaczej rozprasza się promieniowanie neutronowe, a inaczej - rentgenowskie. Stąd różnice w położeniu atomów wodoru) tworząc, dzięki periodycznej budowie kryształów, wzór charakterystyczny dla konkretnej struktury krystalicznej. Wzór ten można poddać analizie, w wyniku której możliwe jest rozszyfrowanie struktury kryształu.

PAP - Nauka w Polsce, Ludwika Tomala

lt/ agt/