烧杯里的晶体花园
本帖最后由 718281828kc 于 2014-5-22 15:53 编辑

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       Wim L.Noorduin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 L.Noorduin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 L.Noorduin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 L.Noorduin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。
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        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。”



[groupid=337]化学[/groupid]
+20  科创币    trample   2014-05-24   感谢分享
+50  科创币    QQQQQQQ   2014-05-27   很好
来自 化学与化工
2014-5-22 14:52:00
博丽灵梦(作者)
1楼
本帖最后由 718281828kc 于 2014-5-22 14:53 编辑

在生活中获得灵感,再进一步思考、研究,但其目的仅仅是给girlfriend看。。。
不仅表白成功,顺便上了Science的封面。。。。。。
太羡慕了~~~
这就是所谓科学来源于生活并高于生活吧~
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2楼
没有做不到只有想不到
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3楼
可惜我化学物理还差
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4楼
很漂亮,收藏了!
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5楼
涨姿势了
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6楼
上大学了做一做。
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7楼
aeolus 发表于 2014-5-22 21:30
上大学了做一做。


电子显微镜有那么好借?
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博丽灵梦(作者)
8楼
aeolus 发表于 2014-5-22 21:30
上大学了做一做。


吊啊
SEM。。。。扫描电子显微镜。。。。。。
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9楼
看看我的“花园”。。。。。。 哈哈哈[s:7]








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+10  科创币    博丽灵梦   2014-05-23   感谢分享
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2014-5-23 22:14:35
10楼
富二代创始人 发表于 2014-5-22 22:48
看看我的“花园”。。。。。。 哈哈哈


这是花园?是不是失败的实验产物?
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11楼
微微 发表于 2014-5-23 22:14
这是花园?是不是失败的实验产物?


硫酸铜溶液和红墨水的结晶产物
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2014-5-24 03:56:47
12楼
ne555 发表于 2014-5-23 22:40
硫酸铜溶液和红墨水的结晶产物


[s:12] 这都被你发现了  也是意外啦。。我放在外面没管它。。然后就自然蒸发结晶成这样了。。。
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2014-6-10 22:38:14
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13楼
类似填埋场
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2015-1-11 10:04:12
2015-1-11 10:04:12
14楼
还是水下花园好做一些
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15楼
真是好看呀。
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2015-1-27 11:02:09
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16楼
不论怎样晶体都很好看。
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