Водород сдает позиции: с помощью электронной дифракции удалось «увидеть» его атомы в нанокристаллах

Рис. 1. Строение молекулы парацетамола C8H9NO2, полученное с помощью дифракции прецессирующих электронов и динамического уточнения структуры. Желтым цветом отмечены максимумы электронной плотности в точках, соответствующих положению атомов водорода (сами атомы обозначены светло-розовыми кружочками). Разностная карта электронной плотности показана для слоя кристалла вдоль оси, перпендикулярной плоскости рисунка. Коричневые кружочки — атомы углерода, голубые — атомы азота, красные — атомы кислорода. Рисунок из обсуждаемой статьи в Science

Ученым из Чехии и Франции с помощью метода трехмерной дифракции электронов и разработанного ими алгоритма уточнения структуры с динамическим рассеянием на кристалле удалось с высокой точностью определить положение атомов водорода в органических и неорганических материалах. Исследование открывает новые возможности для подробного структурного анализа веществ.

Крошечный атом водорода играет важную роль в химических и биологических процессах. Локализация его атомов — важная часть структурного анализа кристаллов, так как от положений атомов и длин водородных связей зависят реакционные способности молекул и другие физико-химические свойства многих материалов. Но обнаружить положение атомов водорода в кристалле очень сложно, так как у самого легкого химического элемента всего один электрон.

Для исследования структуры вещества с успехом используют методы дифракции, основанные на изучении углового распределения интенсивности рассеянного (дифрагированного) веществом излучения, этот анализ одинаков для рентгеновской, нейтронной и электронной дифракции. Если длина падающего на кристалл излучения соизмерима с расстояниями между атомами, то можно получить картину из дифракционных максимумов — результат интерференции волн. Их интенсивность однозначно связана со структурой и химическим составом вещества, поэтому появляется возможность решения обратной задачи дифракции, то есть установление структуры вещества по его дифракционной картине. Разная физическая природа взаимодействия с веществом у рентгеновских квантов, нейтронов и электронов обуславливает вид и особенности дифракционной картины для каждого метода, что определяет области их применения и позволяет сочетать разные способы исследования вещества.

При дифракции рентгеновского излучения на монокристалле рассеяние происходит на электронной плотности атомов, которая отражает пространственное распределение заряда. Так как единственный электрон водорода почти не рассеивает рентгеновское излучение, то положение его атомов напрямую оценить невозможно, к тому же для рентгеновского исследования нужны достаточно большие образцы. В некоторых случаях атомы водорода можно обнаружить, используя специальные процедуры уточнения структуры.

В нейтронной дифракции нейтроны, не имеющие заряда, рассеиваются ядрами, в том числе и ядрами водорода, то есть дифракция слабо зависит от атомного номера кристалла. Этим методом была определена структура многих органических соединений, гидридов, кристаллогидратов и других водородосодержащих веществ, но для дорогих экспериментов (которые чаще проводят с изотопом водорода, дейтерием) нужны установки, которые малодоступны.

При электронной дифракции электроны взаимодействуют с электростатическим полем атома, воздействуя на вещество на порядки сильнее, чем при рентгеновском излучении. Это позволяет исследовать гораздо более мелкие фрагменты кристалла с помощью просвечивающего электронного микроскопа (ПЭМ) и извлекать информацию из проявляющихся дополнительных (динамических) максимумов дифракции. С увеличением толщины исследуемого образца в зависимости от его ориентации растет вероятность многократного рассеяния и появления дополнительных эффектов, поэтому на пути электронного пучка обычно помещают тонкую пленку, на которую осаждают кристаллы. Электронограмму получают за секунды, в отличие от рентгенограммы, для которой требуются минуты или часы.

В 1950 году впервые в практике структурного анализа Борис Вайнштейн, основываясь на своих пионерских работах по электронной дифракции, экспериментально определил положения атомов водорода в нескольких органических соединениях макроскопического размера (в парафине, дикетопиперазине и других соединениях).

За последние десятилетия возможности электронной дифракции значительно увеличились. В 1994 году был предложен экспериментальный метод, который позволяет упростить интерпретацию сложной картины рассеяния и уменьшить количество дополнительных эффектов, — дифракция прецессирующих электронов (Precession electron diffraction, PED, см.: R. Vincent, P. A. Midgley, 1994. Double conical beam-rocking system for measurement of integrated electron diffraction intensities), но на то, чтобы повысить точность метода и сделать его общедоступным, ушло еще десять лет. В экспериментах PED пучок электронов отклоняется от основной оси и прецессирует вокруг нее, возбуждая только часть отражений в единицу времени, что значительно сокращает число динамических рассеяний.

Затем были разработаны автоматизированные методы электронной дифракционной томографии (см: U. Kolb, T. Gorelik, C. Kübel, M. T. Otten, D. Hubert, 2007. Towards automated diffraction tomography: Part I — Data acquisition, а также новость Создана четырехмерная электронная томография, «Элементы», 02.08.2010). Расшифровка кристаллической структуры многих веществ превратилась почти в рутинное дело, в том числе — и материалов каркасного типа (кристаллы с полостями), фармпрепаратов и белков, но структурные модели получались довольно грубыми, что не позволяло точно определить положение атомов водорода.

Чтобы выявить детальную структуру крошечных кристаллов, Лукаш Палатинус (Lukáš Palatinus) из Института физики Академии наук Чешской Республики вместе с коллегами предложил использовать метод трехмерной дифракции прецессирующих электронов в связке с уже опробованным им алгоритмом динамического уточнения структуры кристалла. Впервые с помощью этих методов ученые смогли с высокой точностью определить положение атомов водорода в кристаллах от микро- до наноразмеров у органического материала (парацетамол) с известной структурой и неорганического каркасного материала (алюмофосфат кобальта) с неизвестной структурой.

Структурный анализ и уточнение структуры вещества

Определение атомной структуры кристалла (то есть ответ на вопрос: где конкретно в структуре расположены атомы того или иного химического элемента?) с помощью методов дифракции проходит в два этапа.

1) Расшифровка структуры: первоначальный сбор и измерение интенсивности рассеяния от образца. Обычно на этом этапе удается определить только часть структуры с наиболее тяжелыми атомами, которые дают максимальный вклад в рассеяние.

2) Уточнение структуры: процедура получения наилучшего согласия между вычисленными и экспериментальными структурными амплитудами рассеяния путем последовательного добавления и уточнения атомных параметров приближенной (пробной) модели структуры, определенной на первом этапе. Процедура уточнения происходит итеративно и использует, как правило, сочетание метода наименьших квадратов и разностных карт электронной плотности. По разностным картам с помощью Фурье-синтеза электронной плотности находят позиции недостающих атомов в структуре.

В итоге получают: координаты атомов в элементарной ячейке, их тепловые параметры, геометрию молекулы (длины связей и т. д.), фактор сходимости (мера согласованности между кристаллографической моделью и экспериментальными данными) и другие показатели качества эксперимента.

Кинематическое и динамическое уточнение

Стандартные методы для уточнения структуры кристалла используют кинематическую теорию дифракции, которая не очень хорошо подходит для дифракции электронов. Она основана на ряде допущений:

элементарная ячейка кристалла состоит из сферически симметричных атомов,
атомы неподвижны, то есть тепловые колебания отсутствуют,
все элементарные ячейки в кристалле одинаковы, то есть отсутствуют дефекты,
рассеянная один раз волна выходит из кристалла, то есть рассеяние является однократным,
нет интерференции между падающей и рассеянной волнами.

Эти предположения не вполне соответствуют реальной ситуации, но значительно облегчают анализ процесса рассеяния кристаллом и используются в рентгеноструктурном анализе. В динамическом уточнении таких допущений нет. Это, естественно, существенного усложняет работу и предыдущие попытки использования динамического уточнения для электронной дифракции не были столь успешными, как у авторов обсуждаемой статьи.

Значения терминов можно посмотреть, например, в справочнике Основные термины и понятия структурной кристаллографии и кристаллохимии (cловарь-пособие).

Чтобы показать преимущества метода и возможности его дальнейшего использования, ученые сначала исследовали органический кристалл парацетамола (C8H9NO2) с известной структурой и доказали, что новый метод помогает обнаружить атомы водорода в кристаллах этой важной фармацевтической молекулы, чувствительной к излучению электронов.

Кристаллы парацетамола синтезировали, осаждая их на тонкую пленку подложки просвечивающего электронного микроскопа. Чтобы получить трехмерные изображения дифракции, поверхность кристаллов площадью один квадратный микрометр сканировали пучком электронов плотностью 0,4 заряда на квадратный ангстрем в секунду с прецессией (с углом 1,3 градуса). От такого облучения образец портится, видимые разрушения кристалла проявляются через 30 секунд после начала облучения, поэтому каждый сеанс сканирования проводился в течение всего несколько секунд.

С помощью программы Superflip ученые получили начальную пробную структуру парацетамола без атомов водорода, которая согласуется с опубликованными ранее данными (Д. А. Дружбин, Т. Н. Дребущак, В. С. Миньков, Е. В. Болдырева, 2015. Кристаллическая структура двух полиморфных модификаций парацетамола при 20К: поиск взаимосвязи «Структура—свойство»). Затем, применив алгоритмы для динамического уточнения модели и разностных карт электронной плотности, исследователи смогли определить положение всех атомов водорода в парацетамоле (рис. 1 и анимация ниже). Для сравнения было проведено уточнение структуры в кинематическом приближении, но полученные разностные карты электронной плотности оказались недостаточно информативными для определения атомов водорода.

Трехмерная визуализация молекулы парацетамола с атомами водорода, положение которых определено с помощью динамического уточнения структуры. Анимация из обсуждаемой статьи в Science

Электронная плотность и разностные карты электронной плотности

Электронная плотность отражает пространственное распределение заряда (или плотность вероятности наличия электрона в данной единице объема). Разностные карты электронной плотности молекул и образующих их атомов позволяют судить об особенностях перераспределения электронной плотности при образовании кристаллов, то есть делать предположения о характере химической связи, взаимном влиянии атомов и изменении строения родственных молекул. Разностную электронную плотность определяют как разность между экспериментальной электронной плотностью и электронной плотностью, вычисленной по пробной модели структуры. Электронную плотность представляют с помощью карт типа топографических, на которых указывают линии уровня электронной плотности для определенных сечений трехмерного пространства. Как правило, электронная плотность имеет максимумы в точках, отвечающих положениям атомов.

Убедившись в надежности метода на парацетамоле, ученые занялись определением неизвестной структуры алюмофосфата кобальта Co1,22Al2P4O20H11,56, который относится к каркасным неорганическим материалам. Кристаллы таких материалов состоят из прочных ажурных каркасов с полостями, их используют в качестве катализаторов, сорбентов, ионообменников и пищевых добавок, поэтому исследование их структуры представляет большой интерес. В металлосодержащих алюмофосфатах атомы водорода (и/или молекулы воды) обычно связаны с металлическим центром молекулы и оказывают влияние на реакционную способность и каталитические свойства вещества. Дробные индексы в формуле указывают на то, что вещество относится к часто встречающимся кристаллам с неполной упорядоченностью, в которых отдельные атомы или структуры статистически занимают несколько возможных положений (см. нестехиометрические соединения, стехиометрия). В данном случае это касается кобальта и водорода.

Ученые синтезировали кристаллы алюмофосфата кобальта и определили параметры его структуры сначала у шести образцов с помощью метода трехмерной дифракции прецессирующих электронов. Анализ выявил значительные структурные изменения, которые произошли в кристаллах при облучении электронами высоких энергий. Для дальнейшего уточнения структуры использовали другие шесть образцов, которые были просканированы небольшими дозами облучения. Полученные результаты оказались ближе к данным рентгеновской дифракции на монокристалле. (Для рентгеновской дифракции были выращены кристаллы большего размера, а анализ их структуры использовался для независимой проверки результатов метода ученых, хотя на моделях не удалось выявить все положения атомов водорода).

Так как структура алюмофосфата кобальта разупорядочена, и атомы водорода могут занимать разные позиции в кристалле, выявить их достаточно сложно. Поэтому ученые объединили данные от всех шести кристаллов, использовали процедуру динамического уточнения и получили разностные карты плотности с четко выраженными максимумами для всех атомов водорода (рис. 2, см. также видео из дополнительных материалов к обсуждаемой статье). Для сравнения результатов было проведено исследование кристалла с кинематическим уточнением структуры для того же набора из шести кристаллов, но этим способом выявить положения атомов водорода в веществе не удалось.

Рис. 2. Структурная модель алюмофосфата кобальта, для построения которой использованы данные анализа шести кристаллов. Атомы кобальта показаны синим, алюминия — зеленым, фосфора — оранжевым, кислорода — красным, водорода — белыми кружочками. Желтые пятна — максимумы электронной плотности вокруг атомов водорода. Рисунок из обсуждаемой статьи в Science

Метод Палатинуса и его коллег можно использовать для того, чтобы «увидеть» атомы водорода в монокристаллах субмикронного размера из органических и неорганических материалов, причем чувствительность метода позволяет выявлять разупорядоченные позиции атомов и другие детали строения кристаллов, а значит, судить о химических и физических свойствах вещества. Преимущества электронной дифракции — доступность и быстрота этого метода — открывают новые возможности для подробного изучения веществ, чувствительных к электронному облучению, таких как пористые материалы, гидраты и сложные органические вещества.

Источники:
1) L. Palatinus et al. Hydrogen position in single nanocrystals revealed by electron diffraction // Science. 2017. V. 355. I. 6321. P. 166–169. DOI: 10.1126/science.aak9652.
2) Lynne B. McCusker. Electron diffraction and the hydrogen atom // Science. 2017. V. 355. I. 6321. P. 136.

Ольга Баклицкая-Каменева