突破性研究揭示了晶體生長的一個新的兩步驟過程，對舊理論提出了挑戰，並為該領域未來的技術發展指明了新方向。一百萬年前，已知最古老的直立行走物種–直立人對水晶有著人類般的迷戀。歷史學家甚至可以歸納出可能的原因–水晶與當時周圍的任何東西–樹木、山谷、山脈–都不一樣。水晶是一種值得深思的材料，是一種引人入勝的思考方式。

時至今日，人類對水晶魔力的執著依然充斥著科學家們的頭腦，他們開發出了各種方法將水晶用於治療瘧疾、太陽能電池、半導體、催化劑和光學元件等各個方面。多年來，晶體已成為現代文明技術的重要組成部分。

休士頓大學弗蘭克-沃利（Frank Worley）化學與生物分子工程學教授彼得-維基洛夫（Peter Vekilov）發表論文稱，分子與晶體的結合分為兩個步驟，中間還存在一個中間狀態。資料來源：休士頓大學

因此，對於歷史學家來說，如果要製作一個跨越一百萬年的晶體魅力和研究時間表，那麼休士頓大學化學和生物分子工程系弗蘭克-沃利（Frank Worley）教授彼得-維基洛夫（ PeterVekilov）在《美國國家科學院院刊》（PNAS）上發表文章，解答晶體是如何形成以及分子是如何成為晶體的一部分的時間，就是2024 年1 月。

維基洛夫說：”幾十年來，晶體生長研究人員一直夢想著闡明進入的分子與晶體表面接受它們的獨特位點–扭結之間的化學反應。這種反應的機理，即特徵時間尺度和長度尺度、可能的中間產物及其穩定性，60 多年來一直是難以捉摸和猜測的”。

加深理解的主要障礙是缺乏分子如何加入的數據，以及分子從溶液到其生長地的複雜過程。

Vekilov 使用NanoRacer（使用原子力顯微鏡）高速掃描樣品，以獲得晶體分子結構的重要資訊。資料來源：休士頓大學

為了揭示溶解在液體中的分子（溶質）與扭結之間的化學反應，Vekilov 採用了兩種轉化策略，一種是使用全有機對，另一種是使用四種具有不同結構和功能的溶劑。在研究分子時，他結合了最先進的實驗技術，包括近分子分辨率的時間分辨原位原子力顯微鏡、X 射線衍射、吸收光譜和掃描電子顯微鏡。

就在那時，維基洛夫有了一個革命性的發現：結晶的結合可能分為兩個步驟，中間有一個中間狀態，這個中間狀態的穩定性是晶體生長的關鍵。它基本上決定了晶體形成的快慢，因為它影響到晶體在形成過程中能否輕易地與其他物質結合。

雖然這些新發現並不能追溯到智人時代，但它們為維基洛夫解開了一個長達40 年的謎題。

維基洛夫手持磷酸二氫鉀（KDP）晶體。圖片來源：休士頓大學

他說：”中間態的概念及其在晶體生長中的決定性作用，駁斥並取代了我的博士生導師AA Chernov 在該領域提出的主流觀點，即晶體生長的激活障礙由溶液體中溶質與溶劑的相互作用決定。”

由中間狀態介導的兩步驟摻入新模式有助於理解液體中的小分子如何影響自然界中晶體的詳細形狀。同樣重要的是，這個範例將引導人們尋找能穩定中間狀態的溶劑和添加劑，以減緩不希望出現的多晶體等的生長。

編譯來源：ScitechDaily