高中物理 第二章 固体 第2节 固体的微观结构 电维姆-诺度因：微观世界的晶体花农素材 鲁科版选修3-3

高中物理 第二章 固体 第2节 固体的微观结构 电维姆-诺度因：微观世界的晶体花农素材 鲁科版选修3-3

电维姆·诺度因：微观世界的晶体“花农” ‎ 在从自然界的生物矿化中得到启示，科学家们在实验室中得到了微米级别的、形状如花一般的晶体。借鉴自然界中硅藻和鲍鱼壳的形成过程，来自哈佛大学的晶体生长研究科学家维姆·诺度因（Wim Noorduin）及其团队改进了实验室中晶体生长的方法——通过改变溶液的温度、酸碱度以及二氧化碳的浓度，实现晶体生长过程的可控。‎ 一切复杂源于简单，自然界中的无机矿物质与有机分子的相互作用可以生成层次分明的高功能化材料，实验室中晶体的“花瓶、茎叶和花朵”也由此而生。‎ 怎么才能做出一朵漂亮的晶体花？你所需要的原料仅仅是一烧杯氯化钡和硅酸钠的水溶液。将“花圃”——一张平坦的小片放入溶液中，充入二氧化碳，再小心地调整反应温度，你的小花就可以在“花圃”上生长。‎ 在所有的晶体生长都从碳酸钡成核开始，这个过程会使pH降低。从高pH值的溶液开始，不断注入二氧化碳，会发生以下反应：‎ Ba2+ + CO2 + H2O → BaCO3 + 2H+‎ 释放的氢离子会不断降低生长前端的pH，直到进入可析出二氧化硅晶体的pH范围时，发生反应：‎ SiO32–+2H+→SiO2+H2O 因此，阶段①实现的是碳酸钡和二氧化硅的共沉淀。此阶段中，在本体溶液pH较高时，碳酸钡晶体生长得最好；在低pH的地方，晶体生长会被二氧化硅沉淀抑制。根据成核密度的不同，会生成三种不同的基态形状。成核密度低的地方形成半球形，成核密度高的地方形成茎干形和锥形。高pH处晶体周围的扩散域会控制其形状。‎ 随着CO2的充入，本体溶液的pH逐渐降低。当溶液低于二氧化硅生成的最佳pH，但仍高于SiO2析出所需的pH（pHSiO2）时，注入pH大于pHSiO2的本体溶液会促进二氧化硅的形成，抑制碳酸钡晶体生长。为了保持生长前沿的低pH，阶段②中碳酸钡晶体倾向于沿着界面或蜷曲生长。最后，当pH低于pHSiO2（阶段③），二氧化硅逐渐停止析出，碳酸钡晶体得以正常生长。‎ ‎ ‎ ‎ ‎