材料科學(xué)與工程副教授理查德·羅賓遜(Richard Robinson)在以色列希伯來大學(xué)(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(dāng)他們找到我時，我用光譜儀測量了，然后我說，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(xué)與生物分子工程學(xué)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(fā)生了變化，這引發(fā)了一系列的問題和實驗，最終我們得到了這個新發(fā)現(xiàn)。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(fā)生了變化。這種認(rèn)識導(dǎo)致了無機(jī)異構(gòu)化的發(fā)現(xiàn)，其中無機(jī)材料能夠在離散狀態(tài)之間幾乎瞬間切換——比聲速還快。

博科園-科學(xué)科普：這一發(fā)現(xiàn)彌補了已知有機(jī)分子相變和大塊物質(zhì)相變之間的差距。有機(jī)分子相變使視力成為可能，而大塊物質(zhì)相變則使石墨轉(zhuǎn)變?yōu)殂@石。2月15日發(fā)表在《科學(xué)》上的論文《無機(jī)簇的化學(xué)可逆異構(gòu)化》的合著者Robinson說：他們的發(fā)現(xiàn)令人驚訝，因為這意味著無機(jī)材料可以像有機(jī)分子一樣轉(zhuǎn)化。羅賓遜說：我們發(fā)現(xiàn)，如果將無機(jī)材料收縮到足夠小的程度?？梢院苋菀椎卦趦蓚€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(jī)上，貨箱里一定有水分，所以樣本的相位發(fā)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(xué)與生物分子工程學(xué)院副教授，還有希伯來大學(xué)化學(xué)教授Uri Banin，道格拉斯·納韋爾博士。

材料科學(xué)與工程專業(yè)的博士生安德魯·納爾遜和希伯來大學(xué)的伊多·哈達(dá)爾也做出了貢獻(xiàn)。在兩種狀態(tài)之間架起了橋梁，一種是變化較慢的大物質(zhì)，另一種是前后連貫的小有機(jī)物質(zhì)。令人驚訝的是，我們看到了無機(jī)材料從一種狀態(tài)到另一種狀態(tài)的瞬間轉(zhuǎn)變，它是由一個簡單的表面反應(yīng)開始。異構(gòu)化——將一個分子轉(zhuǎn)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(fā)，例如當(dāng)光線引起視網(wǎng)膜中的分子轉(zhuǎn)換，使視覺成為可能；或者當(dāng)橄欖油加熱過高時，如何異構(gòu)化為不健康的反式脂肪。像石墨這樣的塊狀物質(zhì)也可以改變相，但它們需要比分子水平多得多的能量。

而且這種變化是逐漸發(fā)生的，這種變化會擴(kuò)散到整個物質(zhì)中，而不是瞬間發(fā)生變化。在過去，人們發(fā)現(xiàn)較大納米顆粒改變相的方式更接近于大塊物質(zhì)的變化而不是分子變化。但是當(dāng)康奈爾大學(xué)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(tài)之間的快速變化。Hanrath說：我們現(xiàn)在終于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(jī)材料可以很容易地來回翻轉(zhuǎn)，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(jìn)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(shù)的幫助，這項新技術(shù)是他們開發(fā)出來的，可以創(chuàng)造出魔法大小的團(tuán)——之所以這么說，是因為它們擁有“完美”數(shù)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(wěn)定。能夠創(chuàng)造出一個非常純粹的魔法大小團(tuán)，正因為如此，當(dāng)它與酒精或水反應(yīng)時，會看到一個非常純粹的轉(zhuǎn)變”，從一種離散狀態(tài)到另一種狀態(tài)。雖然還需要進(jìn)一步的研究，但未來可能的應(yīng)用包括將這些粒子用作計算或傳感器中的開關(guān)。這一發(fā)現(xiàn)還可能用于量子計算，或作為生成更大納米粒子的種子。

博科園-科學(xué)科普｜研究/來自: ?康奈爾大學(xué)

參考期刊文獻(xiàn):《科學(xué)》

DOI: 10.1126/science.aau9464

博科園-傳遞宇宙科學(xué)之美