解开有关晶体形成的古老谜团
一百万年前，已知最古老的像人类一样直立行走的物种，直立人，对水晶有着像人类一样的迷恋。历史学家甚至可以确定可能的原因——晶体看起来不像当时周围的任何东西——树木、山谷、山脉。水晶是一种值得思考的材料，是一种令人着迷的思维消遣。
直到今天，人类对水晶魔力的关注仍然充斥着科学家的头脑，他们已经开发出了利用水晶进行各种用途的方法，从治疗疟疾到太阳能电池、半导体、催化剂和光学元件。多年来，晶体已成为现代文明技术的重要组成部分。
因此，对于历史学家来说，创造一个跨越一百万年的晶体迷恋和研究的时间表，将 2024 年 1 月标记为休斯顿大学研究员彼得·维基洛夫(Frank Worley 化学与生物分子工程教授)在《国家科学院院刊》上发表关于晶体如何形成的答案的时间。形成以及分子如何成为其中的一部分。
“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上接受它们的独特位点(扭结)之间的化学反应，”维基洛夫说。该反应的机理，即特征时间尺度和长度尺度、可能的中间体及其稳定性，60多年来一直难以捉摸并受到猜测。”
更深入理解的主要障碍是缺乏关于分子如何加入的数据，以及从溶液到生长位置的复杂过程。
为了揭示溶解在液体(溶质)中的分子与扭结之间的化学反应，维基洛夫采用了两种转化策略，一种使用完整的有机对，第二种使用四种具有不同结构和功能的溶剂。他结合了最先进的实验技术来研究分子，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，维基洛夫做出了一项革命性的发现：扭结的结合可能分两步发生，中间有一个中间态，而这个中间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，因为它影响了在此过程中事物加入的难易程度
尽管这些新发现的历史不能追溯到智人时代，但它们确实解决了维基洛夫 40 年来的一个谜团。
“中间态的概念及其在晶体生长中的决定性作用反驳并取代了我的博士导师 AA Chernov 提出的该领域的主导思想，即生长的激活势垒是由晶体中溶质-溶剂相互作用决定的。解决方案散装，”他说。
由中间态介导的两步合并的新范例可以帮助理解液体中的小部分如何影响自然界中发现的晶体的详细形状。
“同样重要的是，这一范式将指导寻找稳定中间态的溶剂和添加剂，以减缓不需要的多晶型物的生长，”维基洛夫说。
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