@ 2014.03.06 , 16:33

实验室意外诞生有机准晶体

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三十多年来准晶体这个概念让科学家挠破了头皮,现在,奇怪的准晶体家族又多了一员————自组装有机分子形成的二维平面准晶体。

奇怪的晶体由单层五边形分子组成,晶体内分子间由弱氢键连接,这种分子団迫使同一平面的其他分子形成五边形、星型、舟型和菱形。常规晶体的分子图案和形状会以可以预测的形式不断重复,但是在这个准晶体内,虽然可以看见重复形状,但是排列方式却一点都不规则。

科学家说,造成这种准晶体和其他其他晶体不同的原因是材料中含有的有机成分和自组装成分。

“这些分子和周围的所有分子有明显不同,”物理化学家Alex Kandel,他在圣母大学的实验室中展示了这种材料。在此之前科学界一直认为大部分准晶体是金属族元素,常以强离子键结合,不会以较弱的氢键结合,后者经常在DNA等复杂有机分子内出现。

顾名思义,准晶体是半晶体化半紊乱态的结构。是一种介于重复结构、对称组织和完全随机构造之间的一种状态,内部原子呈部分对称,但通常不会在较长范围内重复。不粘锅涂层就用到了这种构造。

首次发现准晶体也是出于一次实验室意外。1982年,材料科学家Daniel Schechtman在实验室中发现了准晶体,因此被授予2011年诺贝尔奖。在这以前,科学家认为这种不完全规则组织不可能存在。

但现在人们知道这种结构确实存在。准晶体不单单只存在于实验室,也存在于自然界中。2012年,普林斯顿大学物理学家Paul Steinhardt展示了他在俄罗斯东部一块坠落到地表的陨石里发现的准晶体结构。

Kandel的研究团队发现有机结构准晶体组织实属意外。起初他们想研究二茂铁甲酸的电子分布,但是却意外发现了二茂铁甲酸分子构成的准晶体。团队要制备一条稳定的线性分子团,但却意外制成了二维准晶体。

“最初形成的画面让我们惊呆了,”Kandel说,”二维准晶体不容易做出来,这也是为什么近几年才有二维准晶体的报告,从首次发现准晶体材料到现在大概已经30年了。”

德国马丁路德大学的Wolf Widdra于2013年10月被媒体报道制出了世界上第一批二维准晶体,对于这项新研究他表示怀疑,他认为在足够大小的观测区域判定这些结构是否为准晶体还缺少证据。

对于自组装特性,也有科学家提出了异议。Widdra认为自组装可以适用所有准晶体结构,并不只适用于新发现的准晶体。但是Kandel不同意这点,他认为其它准晶体所采用的强化学键准确讲不能叫做自组装。他说,这种强化学键的力量远远超过了单体形成结构单元的力量,所以材料别无选择只能被迫成形。但是,在新发现的有机准晶体中,结构单元由弱氢键连接。”

“恰恰是因为驱动分子组装的力比形成单个结构的力要弱,“自组装”现象才如此有趣。”Kandel说。

本文译自 Wired,由译者 王大发财 基于创作共用协议(BY-NC)发布。


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