《美丽化学》物质结构

关于美丽化学美丽化学是由中国科学技术大学先进技术研究院和清华大学出版社联合制作的一个原创数字科普项目。其主旨是将化学的美丽和神奇通过数字技术和媒体传递给大众。在美丽化学中，我们使用最新的4K高清摄影机捕捉化学反应中的缤纷色彩和微妙细节。在分子尺度上，我们使用先进的三维电脑动画和互动技术，展示近年来在自然和科学等国际知名期刊中报道的美丽化学结构。100多年前，德国著名生物学家恩斯特海克尔（Ernst Haeckel）出版了自然界的艺术形态。他用精美的、具有新艺术运动风格的插画描绘自然界中不为人知的生命形态，深受当时大众的喜爱。我们希望美丽化学能够追寻海克尔的足迹，用数字媒体和技术展示化学世界中丰富多彩的结构和变化。我们希望形成一种独特的化学审美观，使化学的美能够被更多人接受，从而让更多的孩子和学生对化学产生兴趣，改变人们对化学的负面印象。美丽化学目前的版本是1.0。在随后的更新中，我们将进一步优化网页设计和用户体验，修正错别字和程序缺陷。我们希望1.0版本只是美丽化学的开始。在不久的将来，我们可以增加更多的高质量内容。美丽化学物质结构原子和分子目前已知的元素有114种，它们构成了世界上所有的生命体和非生命体。尽管科学家可能会再发现新的元素，这些新元素可能会非常不稳定，因而仅能存在于实验室中。我们可以用符号来表示元素。比如氢元素的符号是H，氧元素是O，碳元素是C，硫元素是S。原子是元素的基本单元。不同的元素对应不同的原子。原子极其微小。比如，一个篮球要比一个碳原子大40亿倍左右。原子由位于中心带正电的原子核和围绕原子核运动的电子组成。电子占据了原子的绝大部分体积，原子核则占据了原子的绝大部分质量。两个或多个原子通过化学键结合在一起便形成了分子。例如，氢气分子是由两个氢原子组成，水分子是由两个氢原子和一个氧原子组成。H2和H2O分别是氢气和水的分子式。一些分子是由众多重复单元连接而成长链。这些分子是聚合物分子，比如聚乙烯分子。聚乙烯分子的重复单元是由2个碳原子和4个氢原子组成。聚乙烯的分子式是(C2H4)n，其中n代表存在多个重复单元。如果我们可以看见身边的分子，那么我们可能会发现右下方的一些分子。咖啡因、糖和香兰素分子可能存在于你喜欢的饮品中；靛蓝染料和西草色素分子可能出现在蓝色和红色的衣物中；而最后三种可能存在于当你头痛或感冒时服用的药物中。原子可以失去或得到一个或几个电子，从而变成带正电或带负电的离子。当正离子和负离子靠近时，它们经常会形成晶体。我们在下一部分中会介绍晶体的结构。晶体结构从远古时代到现代社会，人们一直被晶体的美丽所吸引。钻石、红宝石、蓝宝石和绿宝石的价值被世界各地的不同文化认可。但是，可能大部分人不知道晶体内部的微观结构也是非常美丽的。如果你花一些时间来探索左边的晶体结构，你可能会赞同我的观点。晶体内部结构的美丽是对称性的美丽。原子、离子或分子根据简单的对称性规则，在空间中形成周期性排列。从某种程度来说，晶体内部原子周期排列形成的对称图案可以媲美于平面设计师的杰作。对于现代社会，晶体起到的作用要远远超过宝石的装饰性。单晶硅是一种重要的半导体材料，它是制造电脑和移动设备处理器的主要材料之一 。BBO是一种非线性光学晶体，它可以通过倍增光波的频率，把看不见的红外激光转换为蓝色激光。沸石是一种多孔材料，石油化工领域应用它将石油大分子转换成更有用的小分子。钕磁铁是磁性最强的永磁体，被广泛应用于发动机、扬声器、耳机以及电脑硬盘等设备中。由科学家设计合成的新型晶体材料可能成为解决未来能源问题的关键。下面的这个假想是有可能实现的：一个太阳能发电站应用一种新型半导体晶体将太阳能高效的转换成电能；之后电能通过超导晶体毫无损失的传输到你的家中。纳米晶体自组装我们通常说的晶体，其内部周期排列的结构单元通常是原子、离子和分子。我们这里讨论的晶体，其结构单元为纳米晶体。纳米晶体通常具有多面体形状，例如立方体、四面体、八面体等。科学家感兴趣的问题是这些多面体是如何在晶体内部排列的。我们这里提供两个例子。在左上方，我们看到的是同等大小的正八面体纳米晶体的最紧密堆积。在左下方，我们看到的是八角纳米晶体的自组装结构。这些八角纳米晶体首先形成长链（如下图），然后众多长链并排到一起，形成晶体。如果我们可以更精确的控制纳米晶体的形状和大小，更好的理解它们的自组装过程，那么我们有可能设计出具有特殊光学和电学性能的新型材料。准晶1984年以色列科学家Danny Shechtman首次发现了具有正二十面体对称性的准晶（正二十面体准晶）。这是一个具有革命性意义的发现，它使我们对于固体结构的认识发生了更本性的转变。Shechtman为此获得了2011年诺贝尔化学奖。准晶具有非周期性长程有序结构。为了便于理解准晶结构，我们可以先来观察一下左上方的具有5重旋转对称性的彭罗斯拼图。蓝色和黄色的菱形可以占据整个二维空间，但它们的排列并没有任何周期性或平移对称性。除了正二十面体准晶，人们随后发现了具有平面5重、8重、10重和12重旋转对称性的准晶结构。这些准晶分别被命名为五边形、八边形、十边形和十二边形准晶。在特定平面上，准晶中原子的排列具有与彭罗斯拼图类似的非周期性。但在这些平面的垂直方向，这些准晶中原子的排列是周期性的。自从发现准晶以来，科学家一直在设法确定准晶中原子的位置。这项工作具有很高的挑战性，其中一个原因是很多准晶的结构并不稳定，而且存在大量缺陷。经过30多年的努力，我们终于得到了几个比较准确的准晶原子模型。在左下方，是一个由铝、铜和铑三种元素构成的十面体准晶模型。另外我们也开始理解准晶是如何形成和生长的。非定型材料我们知道在非定型材料中不存在长程有序结构。但除此之外，我们对非定型材料的了解并不多。一个主要原因是我们目前并没有一个强大的技术来探测它们的结构。因此，对于非定型材料的结构仍存在很多值得研究的问题。一类极其常见的非定型材料是玻璃。80多年前，科学家Frederick Zachariasen提出了二维石英玻璃的模型。2012年，两个研究组成功合成了只有几个原子层厚的超薄二维石英玻璃，并用高分辨率原子成像技术，确定了这种玻璃的结构。他们得到的实验结果第一次证实了Zachariasen提出的模型。更有意思的是，这种玻璃作为世界上最薄的玻璃载入了吉尼斯世界纪录。金属玻璃是另外一种非定型材料。金属玻璃具有极高的强度、硬度和抗腐蚀性。一些金属玻璃已经被商业化，应用于高尔夫球杆和特种刀具。短程有序、或短程-中程有序可能存在于金属玻璃中。但这些微观结构与金属玻璃性质的关系，仍是目前的一个研究热点。气体和液体在美丽化学中，我们介绍了晶体、准晶和非定型材料。这些材料都属于固体。这里我们来介绍一下气体和液体的结构。在左上方，我们看到的是氧气和液氧的微观结构。在常温常压状态，只有两个氧气分子存在于一个体积为77.4立方纳米的假想容器中（一纳米等于十亿分之一米）。因此在绝大部分时间内这两个氧气分子都在容器中飞行，与器壁碰撞，很少有机会相互影响。对于液氧，在同样大小的容器中，大约有1600个氧气分子，可以想象分子拥挤的程度。在左下方，我们看到的是水的微观结构。与液氧不同的是，在水分子间存在着氢键的三维网络结构。氢键是由一个水分子的氢原子与另外一个水分子的氧原子形成的一个相对较弱的化学键。在水中，氢键的寿命非常短暂。因此，氢键的三维网络结构是一个极为动态的结构：在非常短的时间内，有很多氢键断裂，很多新的氢键生成。研究水的微观结构对探索水在细胞中的作用至关重要。在细胞中，很多生物大分子生理作用是和水分子分不开的。液晶在液体中，分子通常是处于无序状态。液晶可以像液体一样流动。但是液晶中的分子的取向却存在一定的有序性。根据有序性的不同，可以把液晶分为几种不同的相，左面展示了其中的4种。导致液晶中分子取向有序的一个重要因素是分子的形状。例如，MBBA分子呈棒状。这些分子倾向于沿着分子长轴方向排列，从而形成向列相。而盘状的分子倾向于堆积成圆柱结构，形成柱状相。对于一些液晶材料，其内部的分子取向可以被外加电场控制。不同的分子取向可能会对应不同的光学性质。例如，某一种取向可以允许光通过液晶，而另外一种取向则阻挡光。这是应用于电脑和移动设备的液晶显示器的基本工作原理。分子识别和自组装超分子化学是化学的一个分支，它主要研究分子之间的相互作用和分子的集合体。这个领域开始于20世纪60年代，标志性的发现是冠醚可以选择性的结合特定的金属离子。在这一系统中，冠醚是主体，金属离子是客体。经过多年的研究，主客体系统的结构和功能变得越来越复杂。比如，主体可以作为分子尺度的“烧瓶”，在其中客体分子的化学性质与其在宏观容器中相比可能完全不同。超分子化学的一个目标是利用分子自组装，合成具有特殊功能的超分子结构和材料。在这方面，化学家经常可以从生物中的分子自组装系统得到很多启示。生物自组装系统通常是由多个蛋白质单体组成的复杂结构。更重要的是，这些结构通常是动态的，也就是在不同的条件下，结构会发生变化。比如病毒的蛋白质衣壳只有在进入了宿主细胞之后才会打开。又如，细胞中的微管和微丝可以在生长和收缩模式之间切换，从而引发细胞的形变和迁移。相比之下，大部分由化学家合成的自组装结构都是静态的。而对于人工合成的动态结构，我们对结构的控制还有很大的局限性。对于自然界用几十亿年来完善的分子自组装系统，我们还有太多需要探索和学习的地方。互锁分子在这一部分，我们希望让你惊叹于化学家合成的一些结构最为巧妙的分子。这些分子是具有空间拓扑结构的互锁分子，如下图所示：你可能会问：化学家是如何合成这些分子的？几十年前，上面结构中最为简单的索烃分子还只能靠运气来合成，产率非常低。今天，化学家可以借助金属离子将前驱体分子“绑定”在合适的位置，然后用化学反应将这些前驱体分子连接起来，形成互锁链或者拓扑结。下面的示意图展示了如何依靠金属离子（黄色）的帮助来合成索烃分子。对于化学家来说，合成互锁分子是非常有挑战性的科学谜题。另外，我们在合成这些复杂分子时学到的知识可能会在今后帮助我们构建更为复杂的分子机器。DNA纳米结构DNA是生命分子，生命的秘密编码于DNA中。在左上方，我们看到的是著名的DNA双螺旋结构。双螺旋的每个单链都是由4种重复单元构成的聚合物分子。4种重复单元分别含有核苷酸碱基A、C、T和G。通过形成氢键，碱基A可以和T配对，C可以和G配对。如果序列为ATCGTAG的DNA单链与序列为TAGCATC的单链混合到一起，这两个单链就可以通过碱基对互陪，结合成一小段DNA双螺旋。根据简单的碱基对互陪原理，科学家用DNA合成了最为复杂的纳米结构。2006年，Paul Rothemund发明了一项名为DNA折纸术的技术。利用这种技术，一段很长的“支架”DNA单链可以被几百个很短的“订书钉”DNA单链折叠成预先设计好的二维或三维结构。整个过程基于自组装，不需要人为干涉。左边中间部分是两个由DNA折纸术制备的纳米结构。DNA折纸术的不足之处在于对于每一个新的结构，都需要设计一套全新的“订书钉”DNA单链。如果需要合成多个结构，这个