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[交流] 美国在晶体结构形成的研究领域取得新进展

像硅酸盐这样的多孔筛状矿石长期以来被广泛应用于清洁器、过滤器等装置，但目前在实验室中还无法得知这种晶体确切的形成过程。

美国明尼苏达大学化学工程师迈克尔?塞托斯等人在2006年4月17日的《天然材料》杂志网络版发表文章称，通过最先进的显微镜技术，科学家已经了解到从分子结构到硅酸盐晶体一步步形成的详细过程。通过这些新的信息，研究人员可以采用“靶向方法”创造有精确尺寸和形状的硅酸盐晶体，以满足在化学感应等特殊分子方面的应用。该研究得到美国国家科学基金（NSF）三个部门的支持。

硅酸盐晶体，消费者已非常熟悉，这种白色晶体可以成为水族馆过滤器，也可能是高级清洁剂中的离子交换载体。但硅酸盐晶体的真正经济价值不仅限于此，在工业中它可以用于从石油中提取不同的化学成分和副产品。硅酸盐晶体之所以有如此特性，是因为它能捕获和消除特殊的目标分子，使得化工厂提纯化学成分更加容易。因此，研究人员面临的挑战就是为每一种实际应用设计专门的硅酸盐晶体结构，使其特异性的与化学成分相适应。最后，科学家的目标是控制晶体的结构、尺寸和形状，使沸石成为氢燃料储罐的海绵体、下一代传感器的通路、以及化学生产领域的分离膜。

塞托斯教授表示，控制一种晶体结构的增长很困难，因为这是一个“试验－失败－再试验”的过程，或像批评人士指责的那样“是一种‘混合－等待－观察’的方法”。科研人员对晶核形成和增长的过程缺乏清晰的认识，对控制硅酸盐和相关有机－无机纳米结构形成的过程还不够了解。

为了加深对晶体结构形成过程的了解，塞托斯教授和同事花了一年的时间，在实验室中一套能精确观察晶体增长的仪器前监测硅酸盐晶体的生长，这套先进的仪器包括NSF资助购买的一流尖端的高分辨率射电显微镜，以及小角度X光散射系统。通过这套装置，研究人员能够在单纳米级别观察晶体结构的变化。塞托斯教授指出，该模型具有非产复杂的结构，每个单位细胞中都包含数百个原子，依靠自身的动能排列组合。研究的目标就是尽可能运用一切手段减慢各个原子的动能作用，并分析其进一步的发展过程。最终研究人员希望能够发展、验证并改进描述复杂系统的定量数学模型。

研究显示，硅和氧原子首先形成纳米微粒子，随后这种硅酸盐就一层层地分等级排列。形成的这些颗粒与其它原子分子结合从而聚合成更大更复杂的结构，并且仍然保持其本身固有的小孔和通道。在这一研究的基础上，科研人员形成了描述成核现象以及增长过程的数学方程式。塞托斯教授补充道，如果我们能够更好地控制这些晶体的孔道结构和晶体形式，那么这些晶体从催化剂到生物移植等许多领域便可以得到广泛应用。

目前，实验室里的硅酸盐大多数是以微晶体粉末状存在的，研究人员希望能够合成较大体积多阶层更细薄的硅酸盐，从而用于光电子、传感器以及微反应堆中。目前，研究人员已经准备应用硅酸盐晶体薄膜分离法取代原有效率低下的分离技术诸如蒸馏等。例如，传统的物质纯化方法是加热液体直至沸腾从而蒸馏出想要的化学物质，而应用这种新的薄膜分离法仅仅需要使液体流过薄膜就能达到相同的作用。

应用现有的技术生产这种晶体薄膜，每平方米就需花费1000多美元，如果将其广泛应用于氢纯化以及碳氢化合物分离至少需要数千平方米的薄膜，所需的花销极为昂贵。因此，科研人员希望运用现有掌握的知识研究开发出一种新型的薄膜生产技术，只需要十分之一的花销，大大节约了生产成本。

英文原文链接参见：http://www.physorg.com/news64506071.html

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