趣味無窮的分子世界,這些小分子幾乎能組成一個「分子動物園」!

2020-12-06 宇宙探索百科

化學是研究物質的結構、組成、變化和性質的學科。說到化學家,也許就是「穿著白大褂,滿是化學分子式,左手拿著燒杯,右手拿著試管」這樣的形象會立刻出現在人們的大腦中。

科學是嚴肅的,但也很有趣。信不信由你,一些科學家確實很有幽默感。接下來,我們將向您展示一些奇特的化學分子,讓您真正領略分子藝術的魅力。

人形分子

說到類人,我們不得不提到一個人,利茲大學的化學家託尼教授。託尼教授的主要研究方向是有機化學,有一篇文章叫《擬人分子的合成》(synthesis of Anthropomorphic Molecules),使他名聲大噪。這篇文章介紹了幾對手舞足蹈、跳著拉丁舞的「男女」分子表達式。分子圖像的生動性和機制性壓倒了論文本身,使其成為整篇文章的亮點。

事實上,託尼教授發表的類人分子屬於一類被稱為「納米莆田」的化學分子。這些分子最大的特點是分子結構看起來像人類的形象,這不禁讓人想起格列佛遊記中描述的小人國居民。

納米莆田分子是一個大類擬人分子,但它們的基本形式卻是一種被稱為「納米兒童」的分子構型。當「納米兒童」分子溶解在乙醇溶液中加熱後,經過化學反應,往往會得到其他不同形式的人體分子,如「納米運動員」、「納米皇后」、「納米醫生」、「納米麵包師」等。

除了納米莆田分子,通過豐富的想像力,類似釋迦牟尼和嬉皮士的分子也被化學家發現。

「分子動物園」

在創造人與動物的宏觀世界的同時,細心的上帝似乎也不會忘記微觀世界。隨著人類對物質分子結構認識的加深,像上帝創造的動物一樣的分子被感興趣的化學家們相繼發現。有的像海馬,有的像青蛙,有的像章魚,有的像企鵝,如果把這些「動物」列出來,就足以建立一個種類繁多的「分子動物園」。

螞蚱酮是從蝗蟲體內提取的一種用於其自身防禦的分泌物,用於自身防禦。這是科學家們費盡心思在田裡捕捉蝗蟲、並惹惱它們再從它們身上「擠奶」得到的物質。可能專注的科學家太累了而不想再絞盡腦汁對它進行系統命名,所以他們使用了一個有創意的名字——螞蚱酮。然而,仔細觀察蚱蜢酮分子的結構與蝗蟲非常相似。

有一種叫做「小狗烯」的有機化合物。有機化合物的分子形狀類似於狗,是一種具有香味的有機化合物。它最初是由化學家蒂姆·理察發現並命名的。事實上,除了分子形狀與狗相似外,「小狗烯」幾乎與狗沒有關係。

除了上面提到的「海馬」分子、「青蛙」分子、「章魚」分子、「企鵝」分子、「蚱蜢」分子和「小狗」分子外,還有很多在水中遊泳、在地上奔跑、在天上飛翔的「分子動物」,比如埋頭工作的奶牛,吐舌頭的毒蛇、孵鵝、飛鳥、覓食的小雞、長頸鹿等。

分形分子藝術

自相似性是指每一個小的部分都具有與整體相同的形狀。自然界中,許多植物和微生物的自發生長結構具有自相似性,如蕨類植物,一種典型的自相似結構植物。自相似形狀在數學上稱為分形。具有分形特徵的幾何圖案往往具有很高的藝術鑑賞力。

現在,科學家已經能夠製造出許多具有分形結構的分子。這裡,最典型的是一組稱為樹狀大分子的有機分子。樹枝狀大分子是具有三維結構的多分支大分子,可以由中心向外延伸合成。這種合成方法使人們能夠在不同的部位設計樹狀大分子的結構,因此在光電子器件領域引起了人們的關注。

從藝術家的角度來看,樹枝狀大分子的分子結構是獨特和完美的。有的像徽章,有的像花,有的像樹,個個骨子裡透著靈氣。

值得一提的是,國際頂級雜誌《科學》也報導了一種具有分形特徵的六邊形分子。此外,也有學者將這種分形分子歸類為分子藝術的範疇。

理論化學研究中的分子藝術

如果你認為化學家應該整天在實驗室裡做實驗,那你就錯了。近年來,隨著理論化學和計算機技術的發展,利用計算機模擬分子的電子分布和分子構型變化,已成為化學家研究物質性質的重要手段。

研究發現,許多分子圖像的計算機模擬結果不僅光彩奪目,而且有趣,堪稱「繪畫」的最佳藝術作品。

自然界中有許多小的有機分子。理論化學家用一個叫做量子化學的軟體來模擬一個分子,發現它的分子振動類似於一根松枝;另一個杯形分子的模擬結果得到了傳說中的「九龍杯」圖像

當然,在分子模擬中也可以得到與我們現實生活接近的「物體」(分子),如女孩的髮帶、遊泳圈、鮮花、麻花等。

實際生活中的分子藝術

如果留心的話,你會發現,分子藝術實際上就在你身邊。

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