烧杯里的晶体花园

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烧杯里的晶体花园

博丽灵梦2014/05/22化学 IP:浙江

本帖最后由 718281828kc 于 2014-5-22 15:53 编辑

Wim XXXXorduin是哈佛大学工程与应用科学学院的理工男，一直苦于找不到浪漫的方式向心仪的姑娘表白。有一次他去海边旅游，潜水时在海底发现美丽的珊瑚礁和海贝壳的复杂矿物结构非常奇妙，在珊瑚海贝的启发下，Wim XXXXorduin和他的大学同学发现，可以创造出宛如雕饰过的精致微观结构，经过组合可以形成花朵一样的形状。由于晶体可以自我组合，所以能够借助改变温度、参与反应的CO₂含量和水中的酸性来控制晶体的形状、尺寸和组合方式。比如，增加CO₂水平可以创造宽阔而平坦的叶子形状。Wim XXXXorduin领导的研究小组借此创造出各种各样、丰富多彩的“花园”，甚至是在背面印有林肯纪念堂的一分硬币上也能“种植”簇簇鲜花。最终Wim XXXXorduin的晶体花园不仅俘获了姑娘的芳心，还在著名杂志Science封面上刊登。

        这些微小的“花儿”长得落落有致、圆润优雅，尽管它们是晶体，却不像一般晶体那样长得或立方状或锯齿状。“康乃馨”和“金盏花”在水中的玻片上自我组装成一个个的分子时，就像是在玻片上慢慢绽放。这就是登上最新一期Science杂志封面的美丽花朵。
       两百多年来，人们一直好奇大自然中的复杂形状是如何演变的。通过改变烧杯内液体的化学梯度而控制晶体的生长方式，哈佛大学工程应用科学院的研究者发现，他们可以创造出宛若雕饰过的精致微观结构。
       该文章的第一作者、哈佛大学工程应用科学院的博士后Wim L. Noorduin指出，“这个工作帮助人们认识到仅仅通过环境、化学上的改变，可能发生什么。晶体的沉积依赖于扩散溶解在液体中的化合物反应，晶体的生长会朝向或背离某特定的化学梯度，因为反应的pH值会随之改变。化合物反应的环境决定了晶体的结构是像向外伸出的宽叶、纤细的茎还是玫瑰花瓣。”
       在大自然中，化学梯度影响生长的现象一点也不稀奇。例如，海洋生物的贝壳上弯曲的条纹受水下CaCO₃的影响；人类胚胎发育过程中的信号分子的浓度梯度帮助身体建立发育模式；同样，哈佛生物学家Howard Berg的研究发现，成群生长的细菌可以感知并响应彼此分泌的化合物梯度，而生长为具有复杂的几何图案的群落。
       想要在实验室中复制类型的效果，需要确定一个合适的化学反应，并且反复测试，搞清楚酸碱度(pH)、温度以及空气等变量如何影响晶体的纳米结构，而这正是本文通讯作者、哈佛化学与化学生物学教授Joanna Aizenberg的强项。Aizenberg是仿生生物材料学、生物矿化和自组装方面的权威专家，她在评论这一研究时表示：“我们的方法是研究生物系统，思考它们能做到什么我们不能做到的，然后使用这些方法来优化现有的技术或创新。我们幻想着能有一天像生物体那样去构建物质。”
       为了塑造花的结构，Noorduin和他的同事将BaCl₂和Na₂SiO₃溶解在盛有水的烧杯中。随着水中溶解的来自空气的CO₂浓度的增加，BaCO₃晶核形成并使得其周围溶液的pH值骤然降低，从而为SiO₂沉淀提供了合适的条件。生成的SiO₂增加了整个晶体结构，同时将溶液中的酸耗尽，使得pH值恢复到适合BaCO₃晶体产生的范围。就这样随着反应与扩散的循环往复，BaCO₃和SiO₂沉淀依此产生。
       “沉淀是自然发生的，但是仅仅通过改变反应中的条件，就可以使晶体向着你想要的样子生长，”Noorduin指出：“例如增加CO₂的浓度，有助于创造‘阔叶’结构，在恰当的时间逆转的pH梯度可以创建弯曲、褶皱的结构。”
       除了在玻片和金属片上“种花”，他们还在一美分硬币的林肯总统像前面“种”了一簇花。Noorduin说：“当你透过电子显微镜观察时，那种感觉有点像你在海里潜水，观赏一片巨大的珊瑚和海绵；有时我都忘了去拍照，因为探索的过程实在太美了。”