材料科学与工程副教授理查德·罗宾逊(Richard Robinson)在以色列希伯来大学(Hebrew University in Israel)休假时，他让一名研究生寄给他一些特定尺寸的纳米颗粒。当他们找到我时，我用光谱仪测量了，然后我说，等等，你给我的是小颗粒，而不是大颗粒。罗宾逊回忆起他与自己的顾问、化学与生物分子工程学博士生柯蒂斯?威廉姆森(Curtis Williamson)的谈话。我们意识到一定是在飞行途中发生了变化，这引发了一系列的问题和实验，最终我们得到了这个新发现。研究人员推断，这些粒子在从伊萨卡岛到耶路撒冷的旅途中发生了变化。这种认识导致了无机异构化的发现，其中无机材料能够在离散状态之间几乎瞬间切换——比声速还快。
博科园-科学科普：这一发现弥补了已知有机分子相变和大块物质相变之间的差距。有机分子相变使视力成为可能，而大块物质相变则使石墨转变为钻石。2月15日发表在《科学》上的论文《无机簇的化学可逆异构化》的合著者Robinson说：他们的发现令人惊讶，因为这意味着无机材料可以像有机分子一样转化。罗宾逊说：我们发现，如果将无机材料收缩到足够小的程度。可以很容易地在两个离散的相之间来回跳跃，而这两个相是由表面的少量酒精或水分引起。在飞机上，货箱里一定有水分，所以样本的相位发生了变化。威廉姆森是论文的第一作者，资深作家是罗宾逊;托拜厄斯·汉拉斯，史密斯化学与生物分子工程学院副教授，还有希伯来大学化学教授Uri Banin，道格拉斯·纳韦尔博士。
材料科学与工程专业的博士生安德鲁·纳尔逊和希伯来大学的伊多·哈达尔也做出了贡献。在两种状态之间架起了桥梁，一种是变化较慢的大物质，另一种是前后连贯的小有机物质。令人惊讶的是，我们看到了无机材料从一种状态到另一种状态的瞬间转变，它是由一个简单的表面反应开始。异构化——将一个分子转化成另一个具有相同原子的分子，只是排列方式不同——在自然界中很常见。通常它是由能量的增加所激发，例如当光线引起视网膜中的分子转换，使视觉成为可能；或者当橄榄油加热过高时，如何异构化为不健康的反式脂肪。像石墨这样的块状物质也可以改变相，但它们需要比分子水平多得多的能量。
异构化在小的有机分子(例如偶氮苯的顺式转化为反式转化)中得到了很好的证实，而大块无机固体则表现出相变。纳米晶体虽然体积小，但在固态转化过程中表现出块状的行为。在更小的长度尺度上，无机团簇以分子和无机固体的形式异构化，红色和蓝色表示两种不同的结构。图片：Science(2019). DOI: 10.1126/science.aau9464
而且这种变化是逐渐发生的，这种变化会扩散到整个物质中，而不是瞬间发生变化。在过去，人们发现较大纳米颗粒改变相的方式更接近于大块物质的变化而不是分子变化。但是当康奈尔大学的研究小组在康奈尔高能同步加速器源上观察更小的原子簇时，他们第一次观察到离散状态之间的快速变化。Hanrath说：我们现在终于看到了一个新的东西可以在瞬间连贯地从一个地方切换到另一个地方，如果你把它们做得足够小，无机材料可以很容易地来回翻转，这是一个启示。罗宾逊说：如果没有同步加速器源，研究人员不可能精确地确定原子的位置。在同步加速器源中，进行了全面散射实验，检查了所有x射线散射，使他们能够精确地确定原子的位置。
同时还得到了一项新技术的帮助，这项新技术是他们开发出来的，可以创造出魔法大小的团——之所以这么说，是因为它们拥有“完美”数量的原子，而且不能再添加任何单个原子，这使得它们极其稳定。能够创造出一个非常纯粹的魔法大小团，正因为如此，当它与酒精或水反应时，会看到一个非常纯粹的转变”，从一种离散状态到另一种状态。虽然还需要进一步的研究，但未来可能的应用包括将这些粒子用作计算或传感器中的开关。这一发现还可能用于量子计算，或作为生成更大纳米粒子的种子。
博科园-科学科普｜研究/来自: 康奈尔大学
参考期刊文献:《科学》
DOI: 10.1126/science.aau9464
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