碘加澱粉會變藍,其中的細節究竟是什麼? 科學人

2021-01-14 科學人

把碘液滴加到澱粉當中，它們立刻就會形成墨水般的藍黑色——自從1814年第一次被記錄以來，這個經典的顯色反應已經不知道在課堂和實驗室裡出現了多少次。單是這樣一個簡單的操作，就足以帶來很多樂趣：碘可以滴到土豆上、滴到種子上，滴到經過處理的葉片上來發現光合作用的產物，或者用來鑑別唾液澱粉酶是否已經將澱粉消化……

褐色的碘液滴到土豆上，土豆上立刻呈現出藍黑色。圖片來源：fineartamerica.com

然而，碘遇到澱粉為什麼會變出藍色呢？如果隨手查找，大抵會發現這樣的解釋：碘和直鏈澱粉形成了「包合物」，從而顯現出藍色。還有些解釋看起來更加詳細，會說到直鏈澱粉螺旋捲曲，圍出了一個「圓筒」，而碘分子則填充在裡面。不過，這似乎還是有點難以想像——碘和澱粉形成的包合物，到底是個什麼結構？

這個問題聽起來早已不新鮮，但其中的細節在很長一段時間裡都是個未解之謎。而就在前段時間，一項研究無意之中為我們提供了更多答案。

圖片來自：SONIA FERNANDEZ

研究者認為，在澱粉與碘的藍色複合物中，碘單質不再以普通的分子形式存在，它們一個接一個地連接在一起，在複合物骨架中組成了一條條近乎直線的長鏈。

而這種結構特點，其實是在研究另外一種吡咯並苝-碘複合物時發現的。研究者們成功得到了這種物質的針狀單晶。而得到結晶，也就意味著可以用X射線衍射法進行檢測，這樣一來，其中的空間結構就容易確定了。

X射線衍射的結果顯示，在這些複合物中，碘原子「排排坐」的方式相當特別：「碘原子」以近似直線的形式，排排坐在吡咯並苝「盤子」堆成的骨架旁邊，構成了一維無限長鏈。就像下圖中這樣：

吡咯並苝-碘的晶體結構。

晶體結構數據顯示，長鏈中的碘原子間距在0.3054~0.3174 納米不等，而在碘分子中，兩個碘原子之間的距離要短得多（只有0.270 nm）。這個差距足以證明，在複合物的碘原子長鏈中並沒有獨立的碘分子。在長鏈中，從周期變化的碘原子間距可以看出，每15個碘原子構成了一個小單元。

那麼，這些結論如何與「澱粉-碘」複合物掛鈎呢？拉曼光譜提供了非常特徵性的證據。研究者們將他們的數據與過去澱粉-碘複合物的光譜數據進行了對比，結果發現，二者有很好的吻合度。這就間接確定，當澱粉與碘結合時，也產生了類似的長鏈結構。

知道了更多碘與澱粉結合的細節，人們可以把它寫進教科書，滿足更多人的好奇心，除此以外呢？其實，研究者們真正的目的是對有機半導體材料進行改進。

苝-碘複合物是一類有機半導體材料，從上世紀60年代起，它就進入了研究者們的視線。但是，其結構的不確定性影響了進一步的應用。而這一次，研究者在原有材料的基礎上進行了一些改造，製造出了吡咯並苝-碘複合物， 成功確定了這種複合物的內部結構，並對導電性、相變溫度等等性質進行了測定。這些信息都將幫助科學家們繼續改進材料的性質。

光學顯微鏡下吡咯並苝-碘複合物的晶體圖像

對於領導這項研究的賽沙德利（Seshadri）教授和伍德（Wudl）教授而言，找到第一種能夠結晶的非金屬原子聚合物長鏈，這本身就充滿了樂趣。而且，這樣一種新的結構說不定也會為材料帶來新的性質和應用。而在這個過程中，一個200年歷史的疑團也得以進一步解開。

（編輯：窗敲雨；排版：甘蔗西西）



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