里程碑式的发现揭开晶体形成背后的秘密

突破性研究揭示了晶体生长的一个新的两步过程，对旧理论提出了挑战，并为该领域未来的技术发展指明了新方向。一百万年前，已知最古老的直立行走物种--直立人对水晶有着人类般的痴迷。历史学家甚至可以归纳出可能的原因--水晶与当时周围的任何东西--树木、山谷、山脉--都不一样。水晶是一种值得深思的材料，是一种引人入胜的思维方式。

时至今日，人类对水晶魔力的痴迷依然充斥着科学家们的头脑，他们开发出了各种方法将水晶用于治疗疟疾、太阳能电池、半导体、催化剂和光学元件等各个方面。多年来，晶体已成为现代文明技术的重要组成部分。

休斯顿大学弗兰克-沃利（Frank Worley）化学与生物分子工程学教授彼得-维基洛夫（Peter Vekilov）发表论文称，分子与晶体的结合分为两个步骤，中间还存在一个中间状态。资料来源：休斯顿大学

因此，对于历史学家来说，如果要制作一个跨越一百万年的晶体魅力和研究时间表，那么休斯顿大学化学和生物分子工程系弗兰克-沃利（Frank Worley）教授彼得-维基洛夫（PeterVekilov）在《美国国家科学院院刊》（PNAS）上发表文章，解答晶体是如何形成以及分子是如何成为晶体的一部分的时间，就是 2024 年 1 月。

维基洛夫说："几十年来，晶体生长研究人员一直梦想着阐明进入的分子与晶体表面接受它们的独特位点--扭结之间的化学反应。这种反应的机理，即特征时间尺度和长度尺度、可能的中间产物及其稳定性，60 多年来一直是难以捉摸和猜测的"。

加深理解的主要障碍是缺乏有关分子如何加入的数据，以及分子从溶液到其生长地的复杂过程。

Vekilov 使用 NanoRacer（使用原子力显微镜）高速扫描样品，获得晶体分子结构的重要信息。资料来源：休斯顿大学

为了揭示溶解在液体中的分子（溶质）与扭结之间的化学反应，Vekilov 采用了两种转化策略，一种是使用全有机对，另一种是使用四种具有不同结构和功能的溶剂。在研究分子时，他结合了最先进的实验技术，包括近分子分辨率的时间分辨原位原子力显微镜、X 射线衍射、吸收光谱和扫描电子显微镜。

就在那时，维基洛夫有了一个革命性的发现：结晶的结合可能分为两个步骤，中间有一个中间状态，这个中间状态的稳定性是晶体生长的关键。它基本上决定了晶体形成的快慢，因为它影响到晶体在形成过程中能否轻易地与其他物质结合。

虽然这些新发现并不能追溯到智人时代，但它们为维基洛夫解开了一个长达 40 年的谜题。

维基洛夫手持磷酸二氢钾（KDP）晶体。图片来源：休斯顿大学

他说："中间态的概念及其在晶体生长中的决定性作用，驳斥并取代了我的博士生导师 A.A. Chernov 在该领域提出的主流观点，即晶体生长的激活障碍由溶液体中溶质与溶剂的相互作用决定。"

由中间状态介导的两步掺入新模式有助于理解液体中的小分子如何影响自然界中晶体的详细形状。同样重要的是，这一范例将指导人们寻找能稳定中间状态的溶剂和添加剂，以减缓不希望出现的多晶体等的生长。

编译来源：ScitechDaily