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关于晶体形成的新见解可能促进材料、健康和基础科学研究

放大字体  缩小字体 发布日期:2018-11-09  浏览次数:8
核心提示:科学家们长期以来一直致力于了解晶体是如何长成复杂形状的。晶体在骨骼、外壳、土壤和半导体材料等材料中都很重要,但它们是如何

科学家们长期以来一直致力于了解晶体是如何长成复杂形状的。晶体在骨骼、外壳、土壤和半导体材料等材料中都很重要,但它们是如何形成的还不得而知。

 

现在,一个国际研究小组已经展示了自然界是如何利用各种不同的途径来培育晶体的,这种晶体超越了经典的一次一个原子的路线。


今天发表在《科学》(Science)杂志上的这一发现,对几十年来科学和技术领域的一个老问题具有启示意义。这个问题是关于动物和植物如何将矿物质培育成与它们原来的晶体对称无关的形状,以及为什么有些污染物很难从河流沉积物和地下水中去除。


“所有学科的研究人员都观察了骨骼和实验室培育的晶体,这些都是传统理论无法解释的,”弗吉尼亚理工大学(Virginia Tech)杰出教授、理学院(College of Science) C.P. Miles教授帕特里夏·德芙(Patricia Dove)说。“我们展示了这些晶体是如何通过附着成复杂形状的粒子(如纳米晶体、簇或水滴)来构建成复杂的结构的。”许多科学家致力于鉴定这些粒子和路径,使其成为结晶——我们面临的挑战是建立一个框架来理解它们。


这一结果来自于15位在地球化学、物理、生物、地球和材料科学领域工作的科学家的讨论。在家里,这些研究人员进行实验室实验,研究动物骨骼,研究土壤和溪流,或者使用计算机模拟来观察粒子是如何形成和附着的。


这个国际组织在美国能源部基础能源科学办公室地球科学理事会的赞助下,在加州伯克利召开了为期三天的研讨会。


美国西北太平洋国家实验室的材料科学家、物理学家詹姆斯·德·尤里奥说:“由于晶体化是一种普遍存在于众多科学领域的现象,因此这一过程发生的转变将产生深远的影响。”“此外,因为我们在很大程度上表明了社区对这个话题的共识,这项研究有潜力确定未来结晶研究的方向。”


在动物和实验室系统中,这个过程开始于粒子的形成。它们可以是小分子、团簇、液滴或纳米晶体。所有这些粒子都是不稳定的,开始相互结合,与附近的晶体和其他表面结合。


例如,纳米晶体在附着前倾向于与较大的晶体方向一致,就像加入乐高积木一样。相反,无定形砾岩可以简单地聚合。研究人员说,这些原子后来通过“做波”通过质量重新排列成单晶。


研究报告的作者说,要想了解这些粒子运动和结合的动力,还需要做很多工作。这是新研究的前沿。


该研究的通讯作者、美国国家科学院(National Academy of Sciences)院士多芬(Dove)表示:“粒子路径很棘手,因为它们可能会形成带有传统多面面的晶体,也可能具有完全出乎意料的形状和化学成分。”“我们的研究小组合成了这些证据,表明由于热力学和动力学因素的相互作用,这些晶体生长的途径成为可能。”


通过了解动物如何形成晶体,形成被称为贝壳、牙齿和骨头的工作结构,科学家们将有一个更大的工具箱来解释自然界中形成的晶体。


这些见解也有助于设计新材料和解释岩石中不寻常的矿物模式。


同样,了解污染物是如何运输或困在沉积物矿物中,对水和土壤的环境管理也有影响。


De Yoreo说:“我们如何思考结晶的方法会影响到我们如何在地球化学和生物环境中解释自然结晶过程,以及我们如何设计和控制合成晶体生长过程。”“我很惊讶一种由粒子介导的晶体化现象如此普遍,而且如此容易就能创造出一幅统一的画面,捕捉到它的多种风格。”


 
 
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