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永远不要说永远 - 看到水晶的诞生

通过|2021年1月26日,

水晶的起源是我们几个世纪以来一直在想象的事情,能够看到它就像生活在梦里一样。

图片来源:Jude Beck《Unsplash》

在固体材料化学领域超过半个世纪的教学和研究中,我学会了“永不言弃”,尤其是当涉及到那些似乎不太可能见天日的发现或发明时。

我经常想象在材料世界中是不可能的 - 不可思议的结构和组合物,不可想而非的化学效果和无法实现的物理性质 - 一直可以在新的上升突破中得到证实可能。由人类坚持不懈和资源丰富的这些集体跨越子的一部分和轴承见证人将永远是谦卑和令人敬畏的体验。

谈到不可能的观察结果,我从未认为我会在原子尺度分辨率下看到晶体成核和溶液生长的胚胎事件的生动清晰的图像和录像。目睹了从钠和氯离子的无序水混合物中出现的常见盐晶的形态合成是一种惊人和非凡的经验。能够观察混合物通过似乎是临界大小的核心,大约10个氯化钠离子单位的大小,就像生活在梦中。

水晶的起源是我们几个世纪以来一直在想象的。它已经在理论上建立了模型;例如,在表面自由能和体积自由能等价点,定义了临界维数。它被认为在某种程度上大约有5-10个原始单位细胞,然而,直到最近的一份报告才通过实验实现,该报告优雅而令人信服地证明了我们认为不可能的事情实际上是可能的。

实时现场通过将氯化钠溶液包含在单原子厚的碳纳米角中,并使用环境畸变校正扫描透射电子显微镜观察,创造性地完成了原子成像壮举。这种排列方式使得氯化钠成核和生长的结构和动态特征可以通过视频以极高的精度和细节捕捉到,[图]。氯化钠单元的组装首先被观察为团聚体,在无特征状态和部分有序状态之间波动,然后突然而愉快地凝固成纳米级晶体(见图)。

这种功能简单但显着的人类聪明的例子已经为革命的革命设定了阶段,我们如何研究有机,无机,聚合物和生物学晶体的成核和生长中的胚胎步骤。该研究承诺在控制晶体形态,多态性,同种异体,非形态性,手性,缺陷和孪生的化学和身体效果上,以及添加剂,杂质和集装箱表面的影响,揭示了新的光线,以及添加剂,杂质和集装箱表面的影响。

为了扩展一般的应用,修正的Avrami方程被广泛用于绘制晶体成核和生长随时间的温度变化的过程。成核和生长的速率受到吸附原子扩散、自排列、能量学甚至重力的驱动。因此,一个系统可能具有一系列的成核和生长动力学,从而产生多个晶面和形态。中室和他的公司使用的方法将允许对成核过程及其与随后晶体生长的联系进行更彻底的检查,这可能导致阿夫拉米方程的现代更新,并最终改进半导体晶体的退火、成型和合金化,及其他晶体生长制造工艺。将这一想法引入主流研究和开发,有可能在高质量的外延晶体生长行业诞生一个全新的领域。

这是因为这些和类似的例子克服了先前不可能的例子,我认为“永远不会说永远不会”靠近我的心灵。我相信,在每个人的学术或职业生涯中有时候,我们可能会认为是不可能的综合,是一个无法解决的测量,或者是无法实现的产品。但是,我们必须永不放弃。作为科学家,我们的坚持不懈和砂砾是打开了无边无际的发现的大门,并且我们的手是我们将梦想变为现实。

写的:Geoffrey ozin,杰西卡烨和乔尔湖

加拿大安大略省大学大学化学系,电子邮件:g.ozin@utoronto.ca;网站:www.nanowizard.info.,www.solarfuels.utoronto.ca.,www.artnanoinnovations.com

参考:

Takayuki Nakamuro,等。,捕获疾病中晶核的出现瞬间《美国化学学会杂志》(2021)DOI:10.1021/jacs.0c12100

Geoffrey ozin,生物矿物的形态发生与仿生形态的形态合成, Acc。化学。参考(1997),DOI:, 30, 1, 17-27