超過音速！微小的粒子可以在相位之間來迴轉換！

博科園：本文為納米技術類

材料科學與工程副教授理查德·羅賓遜(Richard Robinson)在以色列希伯來大學(Hebrew University in Israel)休假時，他讓一名研究生寄給他一些特定尺寸的納米顆粒。當他們找到我時，我用光譜儀測量了，然後我說，等等，你給我的是小顆粒，而不是大顆粒。羅賓遜回憶起他與自己的顧問、化學與生物分子工程學博士生柯蒂斯?威廉姆森(Curtis Williamson)的談話。我們意識到一定是在飛行途中發生了變化，這引發了一系列的問題和實驗，最終我們得到了這個新發現。研究人員推斷，這些粒子在從伊薩卡島到耶路撒冷的旅途中發生了變化。這種認識導致了無機異構化的發現，其中無機材料能夠在離散狀態之間幾乎瞬間切換——比聲速還快。

博科園-科學科普：這一發現彌補了已知有機分子相變和大塊物質相變之間的差距。有機分子相變使視力成為可能，而大塊物質相變則使石墨轉變為鑽石。2月15日發表在《科學》上的論文《無機簇的化學可逆異構化》的合著者Robinson說：他們的發現令人驚訝，因為這意味著無機材料可以像有機分子一樣轉化。羅賓遜說：我們發現，如果將無機材料收縮到足夠小的程度。可以很容易地在兩個離散的相之間來回跳躍，而這兩個相是由表面的少量酒精或水分引起。在飛機上，貨箱里一定有水分，所以樣本的相位發生了變化。威廉姆森是論文的第一作者，資深作家是羅賓遜;托拜厄斯·漢拉斯，史密斯化學與生物分子工程學院副教授，還有希伯來大學化學教授Uri Banin，道格拉斯·納韋爾博士。

材料科學與工程專業的博士生安德魯·納爾遜和希伯來大學的伊多·哈達爾也做出了貢獻。在兩種狀態之間架起了橋樑，一種是變化較慢的大物質，另一種是前後連貫的小有機物質。令人驚訝的是，我們看到了無機材料從一種狀態到另一種狀態的瞬間轉變，它是由一個簡單的表面反應開始。異構化——將一個分子轉化成另一個具有相同原子的分子，只是排列方式不同——在自然界中很常見。通常它是由能量的增加所激發，例如當光線引起視網膜中的分子轉換，使視覺成為可能；或者當橄欖油加熱過高時，如何異構化為不健康的反式脂肪。像石墨這樣的塊狀物質也可以改變相，但它們需要比分子水平多得多的能量。

異構化在小的有機分子(例如偶氮苯的順式轉化為反式轉化)中得到了很好的證實，而大塊無機固體則表現出相變。納米晶體雖然體積小，但在固態轉化過程中表現出塊狀的行為。在更小的長度尺度上，無機團簇以分子和無機固體的形式異構化，紅色和藍色表示兩種不同的結構。圖片：Science (2019). DOI: 10.1126/science.aau9464

而且這種變化是逐漸發生的，這種變化會擴散到整個物質中，而不是瞬間發生變化。在過去，人們發現較大納米顆粒改變相的方式更接近於大塊物質的變化而不是分子變化。但是當康奈爾大學的研究小組在康奈爾高能同步加速器源上觀察更小的原子簇時，他們第一次觀察到離散狀態之間的快速變化。Hanrath說：我們現在終於看到了一個新的東西可以在瞬間連貫地從一個地方切換到另一個地方，如果你把它們做得足夠小，無機材料可以很容易地來回翻轉，這是一個啟示。羅賓遜說：如果沒有同步加速器源，研究人員不可能精確地確定原子的位置。在同步加速器源中，進行了全面散射實驗，檢查了所有x射線散射，使他們能夠精確地確定原子的位置。

同時還得到了一項新技術的幫助，這項新技術是他們開發出來的，可以創造出魔法大小的團——之所以這麼說，是因為它們擁有「完美」數量的原子，而且不能再添加任何單個原子，這使得它們極其穩定。能夠創造出一個非常純粹的魔法大小團，正因為如此，當它與酒精或水反應時，會看到一個非常純粹的轉變」，從一種離散狀態到另一種狀態。雖然還需要進一步的研究，但未來可能的應用包括將這些粒子用作計算或感測器中的開關。這一發現還可能用於量子計算，或作為生成更大納米粒子的種子。

博科園-科學科普｜研究/來自: 康奈爾大學

參考期刊文獻:《科學》

DOI: 10.1126/science.aau9464

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