從自然界的生物礦化中得到啟示，科學家們在實驗室中得到了微米級別的、形狀如花一般的晶體。借鑑自然界中硅藻和鮑魚殼的形成過程，來自哈佛大學的晶體生長研究科學家維姆·諾度因（Wim Noorduin）及其團隊改進了實驗室中晶體生長的方法——通過改變溶液的溫度、酸鹼度以及二氧化碳的濃度，實現晶體生長過程的可控。
一切複雜源於簡單，自然界中的無機礦物質與有機分子的相互作用可以生成層次分明的高功能化材料，實驗室中晶體的「花瓶、莖葉和花朵」也由此而生。
諾度因得到的第一朵晶體花。圖片來源：Noorduin et al.
從自然界中獲取靈感
「晶體玫瑰的最初創意來自於我當時讀的一本書，菲利普·鮑爾（Philip Ball）的《自然界中的圖案生成》（Pattern Formation in Nature）。」諾度因告訴果殼網，「這本書描述了自然系統和人工系統中圖案可以怎樣生成，以及敏感的環境如何控制圖案的生成。書中這些圖案形成的過程讓我開始思考：是否存在這樣一種系統，可以把圖案凍結成固態的，並且圖案在生長過程中保持可控？」
菲利普·鮑爾的這本書激發了諾度因嘗試製作晶體花卉的靈感。圖片來源：nhbs.com
「在自己一手創造的微觀世界裡暢遊並陶醉在其中是非常有趣的經歷！」諾度因告訴果殼網，「一開始我主要是想找到控制不同微觀形狀形成的方法。然而，當我掌握了構建不同形狀和圖案庫的方法之後，我就對構建出更多既複雜又好看的形狀完全上癮了。」
如何製造一朵晶體花
怎麼才能做出一朵漂亮的晶體花？你所需要的原料僅僅是一燒杯氯化鋇和矽酸鈉的水溶液。將「花圃」——一張平坦的小片放入溶液中，充入二氧化碳，再小心地調整反應溫度，你的小花就可以在「花圃」上生長。
晶體花卉製備原理圖。圖片來源：Elias Vlieg.（2013）Science
在溶液的酸鹼度（pH值）在8到12之間變化時，二氧化矽和碳酸鋇固體的沉澱情況會發生如下變化：
可控的晶體生長機理與三種基本結晶模式示意圖。Noorduin et al.（2013）Science
所有的晶體生長都從碳酸鋇成核開始，這個過程會使pH降低。從高pH值的溶液開始，不斷注入二氧化碳，會發生以下反應：
Ba2+ + CO2 + H2O → BaCO3 + 2H+
釋放的氫離子會不斷降低生長前端的pH，直到進入可析出二氧化矽晶體的pH範圍時，發生反應：
SiO32–+2H+→SiO2+H2O
因此，階段①實現的是碳酸鋇和二氧化矽的共沉澱。此階段中，在本體溶液pH較高時，碳酸鋇晶體生長得最好；在低pH的地方，晶體生長會被二氧化矽沉澱抑制。根據成核密度的不同，會生成三種不同的基態形狀。成核密度低的地方形成半球形，成核密度高的地方形成莖幹形和錐形。高pH處晶體周圍的擴散域會控制其形狀。
隨著CO2的充入，本體溶液的pH逐漸降低。當溶液低於二氧化矽生成的最佳pH，但仍高於SiO2析出所需的pH（pHSiO2）時，注入pH大於pHSiO2的本體溶液會促進二氧化矽的形成，抑制碳酸鋇晶體生長。為了保持生長前沿的低pH，階段②中碳酸鋇晶體傾向於沿著界面或蜷曲生長。最後，當pH低於pHSiO2（階段③），二氧化矽逐漸停止析出，碳酸鋇晶體得以正常生長。
電鏡下的花園
電子掃描顯微鏡（SEM，scanning electron microscopy）的觀測結果顯示，晶體花的「花瓣」有1μm厚。研究者發現，二氧化碳的注入可以增加碳酸鋇沉澱的量，因此在晶體生長過程中， 可以通過二氧化碳的增加和減少來調節「花瓣」的厚度。除此之外，降低溫度與增加二氧化碳有同樣的功效。晶體的厚度還可以通過溶液中鹽的濃度來調節（比如增加氯化鈉可以促進二氧化矽沉澱生成）卻不影響原有碳酸鋇晶體的結構。了解到「開花」和「捲曲」背後的化學機制，研究人員便可通過控制改變不同參數，得到想要的結構。
首先，研究者要先構造出珊瑚狀的「花基」。圖片來源：Noorduin et al.
然後，研究者調整反應條件，在「花基」的空隙出析出「花莖」。圖片來源：Noorduin et al.
隨著「花莖」晶體不斷析出，研究者再次調節反應條件，將其塑造成花朵的形狀。圖片來源：Noorduin et al.
看似簡單的機制與模式疊加，便可以創造出精美絕倫的微觀世界。然而，晶體玫瑰的誕生過程卻波折重重。「從一開始的靈光閃現到最後的論文發表，我與他的同事花了三年多的時間，經歷了1000多次的實驗。」諾度因告訴果殼網，「雖然我們很快就已經有了理論假設，但要確定這些機制的細節以及它們是否可以完全控制試驗卻要花費數年時間。」
諾度因回憶，當時一個巨大的挑戰在於這些化學反應對於條件的改變非常敏感，他們調整了實驗條件後往往很難搞清楚究竟發生了什麼。「比如，只是打開通風櫥這一簡單動作，很可能就已經劇烈地改變了晶體結構。」諾度因說，「鑑於晶體對實驗條件高度敏感，我花費了好長時間才能學會控制這些反應，並利用這種敏感性來塑造這些結構。」另一個挑戰則是要完善大量「種植」這種微觀結構的技術。「當我開始建立這些分層結構時，我必須要使晶體的結構達到最優，這樣這些結構才不至於在實驗過程中被破壞或者傾倒。」
極客的浪漫情懷
「用節奏鮮明的圖案書寫信息，培養像鬱金香一樣的結構，或者精確地在『花瓶』裡生成『花莖』來造一束花，我想發掘所有可能性。因為你能同時種植數以千計的花，那感覺真的有點像暢遊在異域的珊瑚礁上一般。」
諾度因表示，這幾年自己已經製造並拍下了數千張晶體玫瑰的照片。「我會挑一些最好看的圖片，對圖中的結構進行上色，然後把它們送給我的女朋友。」他說。
可以想像，在收到這些微觀鮮花的照片時，諾度因的女朋友該有多麼驚喜。
再接再厲
一年前，憑著這種驚豔的技藝，諾度因和他的同事們在《科學》上發表了論文。目前，諾度因與他的同事正再接再厲，致力於開發一個模擬晶體生長的數學模型，並揭示在晶體生長過程中的一些細節。
「基於我們對於晶體生長機理的理解，我們確實可以通過調整實驗條件，確定地得到我們想要的結構。為了能夠得到多步生成、可不斷控制的複雜結構，我們必須優化實驗中的每一個獨立的步驟。」諾度因指出，要想做出經歷多個步驟才能成型的結構，他們得精益求精地完善每一個步驟的操作。「現在能做到什麼程度還不確定。我們仍在探索用這種方法可以製備多少更精緻的形狀，同時也在探索創造更加複雜結構的新方法。」他說。
雖然諾度因在實驗中採用碳酸鈣和碳酸鋇作為模式系統，但是以上提到的設計策略也可以應用於其他化合物。諾度因的團隊正在拓寬可使用的材料種類，並在研發可以更好地控制晶體形狀的技術。諾度因對果殼網說：「這種越來越精湛的微觀結構構建技術可能貼近許多實際應用對條件控制的需求，比如光學材料、催化劑等等的製備。」