원자 해상도로 분자 이미지를 해석하는 데 도움이 되는 새로운 모델

2022년 3월 28일

(난베르크 뉴스원자와 분자의 2D 및 3D 모델을 만드는 방법에는 여러 가지가 있습니다. 원자 규모에서 샘플을 이미지화할 수 있는 최신 장치의 출현으로 과학자들은 기존의 분자 모델이 그들이 본 이미지와 맞지 않는다는 것을 발견했습니다.

연구원들은 이러한 전통적인 방법을 기반으로 분자를 시각화하는 더 나은 방법을 고안했습니다. 그들의 모델은 그들이 얻은 이미징 데이터에 잘 맞았고, 그들은 모델이 분자 이미지를 해석하는 화학자의 직관에 도움이 되기를 바랍니다. 컬러 볼로 표시된 각 유형의 원자가 있는 원소 주기율표 각 유형의 원자가 컬러 볼로 표시된 친숙한 주기율표. CPK 모델(위)에서 각 원자의 크기는 Z-연관 모델(아래)보다 큽니다. 이는 핵 자체의 크기보다는 원자 주변의 전자 분포에 의존하기 때문입니다. 이것은 전자 구름이 보이지 않는 전자 현미경에서 중요합니다. (사진설명: Nakamura, Harano et al.)

결과는 에 발표되었습니다 미국 국립 과학 아카데미의 절차 (“원자 번호(Z) – 전자 현미경 분자 이미지를 디코딩하기 위한 관련 원자 크기”).

이 글을 읽는 사람이라면 누구나 크기와 색상이 다른 볼이 서로 다른 원자핵을 나타내고 막대기가 원자 간의 결합 특성을 나타내는 전통적인 볼-앤-스틱(ball-and-stick) 원자 및 분자 모델에 익숙할 것입니다. 이것들은 유용한 교육 도구이지만 그들이 반영하는 현실보다 훨씬 간단합니다.

화학자들은 CPK(Corey-Pauling-Koltun) 모델과 같은 모델을 사용하는 경향이 있습니다. 이 모델은 공과 스틱 모델과 유사하지만 공이 겹치도록 부풀려져 있습니다. CPK 모델은 분자 구성 요소가 공 및 막대 모델보다 훨씬 더 잘 상호 작용하는 방식에 대해 화학자에게 더 많이 알려줍니다.

최근 몇 년 동안 원자 분해능 투과 전자 현미경(AR-TEM)과 같은 기술 덕분에 분자 구조를 포착할 뿐만 아니라 분자의 움직임과 상호 작용을 비디오로 기록하는 것이 마침내 가능해졌습니다. 이것은 때때로 “필름 분자 과학”이라고 불립니다.

그러나 보이지 않는 것을 시각화하는 능력의 이러한 비약으로 볼 앤 스틱 또는 CPK 모델은 도움이 되기보다는 장애가 됩니다. 도쿄 대학 화학과의 연구원들이 이 모델을 보고 있는 이미지에 맞추려고 했을 때 몇 가지 문제에 부딪쳤습니다.

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하라노 고지 교수는 “볼 앤 스틱 모델은 너무 단순해서 우리 이미지에서 실제로 일어나는 일을 정확하게 설명할 수 없다”고 말했다. 그리고 기술적으로 원자 핵 주위의 전자 구름 전파를 보여주는 CPK 모델은 너무 조밀해서 일부 세부 사항을 식별할 수 없습니다. 그 이유는 이 두 모델 모두 AR-TEM의 이미지가 보여주는 실제 원자 크기를 보여주지 않기 때문입니다.”

AR-TEM 이미지에서 각 원자의 크기는 단순히 Z로 알려진 해당 원자의 원자량과 직접적인 관련이 있습니다. 그래서 Ichi Nakamura 교수와 그의 팀은 이미지에 맞게 ball-and-stick 모델을 수정하기로 결정했습니다. 여기서 각 핵은 모델에서 위치하며, 모델이 나타내는 핵의 Z 번호에 따라 모델의 크기가 결정되고 Z-연결(ZC) 분자 모델이라고 명명되었습니다. 그들은 1952년 미국 화학자 Robert Curie와 Linus Pauling이 처음 도입한 CPK 모델에서 사용된 것과 동일한 색 구성표를 유지했습니다. Z-연결 분자 모델은 볼 앤 스틱 및 CPK 모델과 비교됩니다. 모델 비교. 연구진의 Z-연결 분자 모델은 볼-앤-스틱 및 CPK 모델과 비교되었다. (사진설명: Nakamura, Harano et al.)

Nakamura는 “사진은 천 단어의 가치가 있으며 AR-TEM 이미지를 최초의 블랙홀 이미지와 비교할 수 있습니다.”라고 말했습니다. “둘 다 이전과는 전혀 다른 현실을 보여주며 사람들이 상상하는 것보다 훨씬 덜 명확합니다. 이것이 환상과 현실 사이의 간극을 메우기 위해 모델이 중요한 이유입니다. Z 연결 분자 모델이 화학자들이 전자 현미경을 분석하는 데 도움이 되기를 바랍니다. images 이론적인 계산이 필요 없는 직관에 기초하여 “영화 분자 과학”의 새로운 세계를 엽니다.

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