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无心插柳 美实验室意外合成二维有机准晶体(图)

http://www.kexue.com 2014-03-10 13:31:32 凤凰科技  发表评论


二维有机准晶体

  准晶体已经挑逗和吸引了科学家们长达30年,现在这个奇怪的材料组有了一名古怪的新成员:由自我装配的有机分子形成的二维准晶体。这种奇特的准晶体是扁平的,由单层的五边环分子组成。这种分子在这一层内形成组,就像微弱的氢键将彼此连接在一起。这个分子组奇特的装配方式导致这一层里的其它分子形成了各种各样的形状,包括五角形、星形、船形和菱形。如果这是一个规则的古老晶体,那么你可能会看见这些群体和形状在每一层里以可预测的方式反复出现。然而,在准晶体里,你可以在同一层里反复看到相同的形状,但却不是以有组织的形式出现。

  科学家们表示,导致这些准晶体与其他晶体区别开来的关键是它的有机材料和自我装配的部件。“它与其它晶体有着显著的不同,” 美国圣母大学的物理化学家亚历克斯-坎德尔(Alex Kandel)这样说道,他所在的实验室意外发现了这种材料,并将这项发现发表在期刊《自然》上。之前知道的准晶体大多数都是金属的,并且通过强大的离子键,而非微弱的氢键紧密联系在一起,氢键常见于复杂的有机分子,例如DNA里。

  正如它的名字所示,准晶体的结构是部分晶体部分紊乱的。换句话说,它是介于重复对称单元的结构和完全无序的建构单元结构之间。原子单位在局部是对称的,但是在大范围内并非规律的重复。因为这些排列,准晶体非常光滑且被用于类似不粘锅等物品。

  第一类准晶体是由材料科学家丹尼尔-舒希特曼(Daniel Schechtman )于1982年在实验室里意外合成,他也因此获得了2011年的诺贝尔奖。在那之前,科学家们都认为半组织的准晶体结构是不可能的。到现在我们知道事实恰好相反。准晶体不仅可以在实验室里合成,它还能够在自然界里形成。2012年美国普林斯顿大学的物理学家保罗-斯泰恩哈特(Paul Steinhardt)展示了在俄罗斯东部发现的准晶体来自于落入地区的陨石。

  坎德尔的研究小组意外的发现了准晶体,当时他们实际是希望研究电子是如何在二茂铁甲酸里分布的,后者也是准晶体形成的原始分子。为了进行这样的实验,研究小组需要建立一个稳定的线性分子组。然而,科学家们尝试的结果是意外创造了二维准晶体。

  “第一张图片的确让我们大吃一惊,”坎德尔说道。“当然,产生二维准晶体并非易事,这也就是为什么现在我们看到的有关准晶体的报告非常有限,现在距离发现第一批准晶体材料已经有三十余年了。”

  德国马丁路德大学的沃尔福-维德拉(Wolf Widdra)对这项最新研究持怀疑态度,他创造出首个2D准晶体并于2013年10月报告了这一发现。他并不认为存在足够的证据证明准晶体结构能够出现在足够大的区域里。

  有关自我装配的意思,不少科学家们也表示异议。维德拉认为这个术语可以应用于所有的准晶体结构,而不仅限于新发现的这个。坎德尔辩论称由强大的化学键组成的结构——正如其它准晶体一样——其实并非是自我装配的。这些强大的化学键“压倒了”单个建造单元互相结合的力量,使得材料别无选择只能形成组织。而在这种新的准晶体里,这些建造单元是由微弱的氢键结合在一起的。“自我装配非常有趣,因为驱动组织形成的力量远比单个结构形成的力要更微弱。” 坎德尔说道。

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