水只有三種狀態嗎？不，有十八種！通過光揭示物質「隱藏」的相！

2020-10-18 博科園

大多數人認為水只存在於三種狀態之一：固態冰、液態水或氣態蒸汽。但是物質可以存在於許多不同的階段——例如，冰有十八種已知的階段（取決於原子在空間上的排列方式）。壓電材料(如麥克風和超聲波)的廣泛應用是可能的，這要歸功於對外力(如壓力、溫度或電)如何導致相變的基本理解，從而賦予材料新的特性。一項新研究發現，金屬氧化物有一種「隱藏」的相。

這種相使材料具有新的鐵電性質，當它被極快的光脈衝激活時，能夠分離正電荷和負電荷。這項研究由麻省理工學院的研究人員Keith A. Nelson、Xian Li和Edoardo Baldini領導，他們與Andrew M. Rappe、賓夕法尼亞大學的研究生Tian Qiu和Jiahao Zhang合作，其研究結果發表在《科學》上。該研究打開了創造材料的大門，人們可以在一萬億分之一秒內打開和關閉屬性的開關，現在有了更好的控制，除了改變電勢，這種方法還可以用來改變現有材料的其他方面

例如，將絕緣體轉變成金屬或翻轉其磁極，這為快速功能材料重組開闢了一個新的領域。該小組研究了鈦酸鍶，一種用於光學儀器、電容器和電阻的副電學材料。鈦酸鍶具有對稱的非極性晶體結構，可以被「推入」具有極性的四方結構的相中，這種結構長軸上有一對帶相反電荷的離子。Nelson和Rappe之前的合作為這項新研究提供了理論基礎，該研究依賴於Nelson利用光誘導固體材料相變的經驗，以及Rappe在開發原子級計算機模型方面的知識。

可以根據光譜報告他認為正在發生的事情，但對所發生的事情提供一個強有力的物理理解之前，這種解釋只是推測性的。隨著技術的進步和從太赫茲頻率研究中獲得的額外知識，這兩位化學家開始研究他們的理論是否成立。Rappe挑戰是用精確的計算機生成鈦酸鍶來補充Nelson的實驗，每一個原子都被跟蹤和表示，它們對光的響應方式與實驗室中測試的材料相同。發現，當鈦酸鍶被光激發時，離子被拉向不同的方向，帶正電荷的離子向一個方向運動，帶負電荷的離子向另一個方向運動。

然後，不是離子立即回到原來的位置，而是像鐘擺被推後那樣，在其他原子中產生的振動運動阻止了離子立即回到原來的位置。這就像鐘擺，當它達到振動的最大高度時，會稍稍偏離原來的軌道，一個小缺口把它固定在遠離初始位置的地方。由於尼爾森和拉普有很強的合作歷史，他們能夠在理論模擬和實驗之間來迴轉換，反之亦然，直到他們發現實驗證據，證明理論是正確的。這是一次非常棒的合作，這說明，創意可以慢慢醞釀，然後在10多年後全面回歸。

這兩位化學家將與工程師在未來的應用驅動研究方面展開合作，比如創造具有隱藏相的新材料，改變光脈衝協議以創造更持久的相，以及觀察這種方法如何應用於納米材料。目前，兩位研究人員都對他們的研究結果感到興奮，並對這一根本性突破在未來可能帶來的結果感到興奮。這是每個科學家的夢想：和朋友一起構思一個想法，規劃出這個想法的結果，然後有機會在實驗室裡把它轉化成某種東西，這是非常令人滿意的。

博科園｜研究/來自：賓夕法尼亞大學

參考期刊《科學》

DOI: 10.1126/science.aaw4913

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