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用“仿原子”模拟真原子的键合

时间:2019-03-22|栏目: 天文 • 物理 |点击:9

    用“仿原子”模拟真原子的键合

    在比利时布鲁塞尔的一个大号“分子” (图片: Allan Baxter/Getty)

    原子是通过量子作用力相互连接起来的,这种连接决定了原子表面的电子如何排布的。而这种排布决定了一个原子究竟能形成多少个化学键,以及这些化学键的几何分布。例如,拥有4个外层电子的碳原子,可以跟4个氢原子形成一个以氢原子为顶点的四面体,或者跟两个氧原子形成线性的二氧化碳。

    模拟键合过程是非常困难的——这是由于“仿原子”必须连接成特定的几何结构。先前的研究已经完成了二维结构的模拟:研究人员将粒子涂在一系列互补DNA上,并且让它们键合成像晶体内部一样的层状结构。

    现在,纽约大学David Pine带领他的研究小组进入了3D领域。他们将纳米聚苯乙烯(分子粒径为540到850纳米,大约是真正的原子的2000倍)涂在与DNA相连的物质上,并使之互相紧密连接,形成介于两个到七个球大小的“分子簇”。接下来,他们用不附着在DNA链上的液态苯乙烯填充了这些球之间的微小空隙。苯乙烯填充着不同大小的球的缝隙,并使球体表面未浸入苯乙烯的暴露部分形成小山状的突起。当DNA被加入后,这些DNA只与这些暴露部分相连接,使球体的这些暴露部分与互补DNA相连接。

    这些暴露区域是由微球的数量所决定的,它们使仿原子有了和真正的原子一样的立体结构。例如,由四个微球构成的仿碳原子,可以和四个排列成四面体的微球构成甲烷结构,也可以和两个仿氧原子(两个微球构成)构成线性的二氧化碳结构。

    显然,与其互补DNA相连的微球可以和其他的仿碳原子的暴露区域相连,形成四面体的“甲烷”或者线性的“二氧化碳”。这些仿原子比真正的原子在体型上要大很多并且在运动速度上也慢很多,这使研究人员可以直接观察原子是如何键连到一起的。

    虽然仍然不能肯定仿原子是否能与真正的原子完全画上等号,但是Pine已经有了一些关于应用的设想:将一些仿原子组合成一个光学“半导体”。传统的半导体可以成为导体也可以成为绝缘体。理论上,应该存在一个可以控制光子的同样的结构。这种光学晶体可以应用在超高速光学电脑上,但是这种结构并没有被发现过。

    Pine认为,由仿碳原子制作的晶体可能能做到这一点。由于这种仿原子粒子尺寸与光的波长(400 到800 纳米)所匹配,这可能能导致这种粒子比真实原子具有更好的光控性。“根据量子力学的规律,原子键合具有非常严格的要求,”Pine说道,“(但是这种新材料)并没有这种要求。”

    (环球科学 白学尹)

    原文链接:https://www.newscientist.com/article/dn22440-polystyrene-atoms-could-surpass-the-real-deal.html

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