化學人帶你走進材料的內部天堂

材料牛注：大千世界，奇幻莫測，而材料無處不在。生活在充滿材料的世界里，你是否好奇過材料內部是怎樣的呢？是否好想知道如何觀察材料內部呢？不要著急，下面一一為你揭曉。

生活在材料的世界里

想象一下：你是一位化學家，每天努力研制新的材料。你可能會往反應物里加入不同的東西，也可能與平時相比加熱更長或更高的溫度。那么你要如何知道是否已經成功做出了一些之前沒有的東西呢？你的反應物可能變成了不同的顏色或者有了些氣味，也可能都不是。人們在自己的廚房里也可能會分不清鹽和糖，所以你不能只依賴于眼睛去觀察。化學家們會使用不同的方法來表征材料的特性，以找出這是否是下一個熱門課題。

近距離看

首先你可能會使用一套強大的設備來觀察：顯微鏡領域的發展不再局限在只應用觀察玻璃片上的葉子或者缺陷的光學顯微鏡。觀察材料所使用的光學顯微鏡，會受限于光子的波長，而電子的波長比可見光子波長要短100，000倍。所以在使用電子顯微鏡時，你可以看到比之前更小和材料中更加明顯的變化。這種方法得到的高分辨率圖像已經用于石墨烯研究中，目的是觀察石墨烯層中是否存在缺陷。

由什么組成？

如果在觀察材料的外部后沒有獲得任何線索，你就可以嘗試觀察材料內部是什么。你可能會想由于知道了往反應混合物里添加了哪些成分，因此可以預知最終結果是什么，但事情的發展并不常常如此順利。我們知道氣體是很容易蒸發的，所以這是觀察反應物中有哪些成分的一個好辦法。有很多技術可以幫助你分析反應物中的化學成分。比如，質譜分析儀能用高能電子流轟擊材料，目的是打散它使其變成帶正電荷的碎片。這些碎片是按重量排序的，通常使用地磁場來檢測，結果你會看到材料的所有組成成分。這些成分就像物質的指紋，人們已經將這個技術用于機場保安位置，目的是檢測毒品或者爆炸物。紅外輻射可以用來研究材料中原子是如何結合起來的。材料中一些化學鍵會吸收紅外輻射，從而引發其振動。這種吸收會導致溫室效應，例如二氧化碳中的碳氧結合鍵就具有這種性質。利用這種技術可以獲取材料中的相關信息，例如材料中的氮原子是否結合到氧或氫原子上。

同種材料，不同結構？

有時你可能會發現兩種材料有相同的化學成分，但是材料內部的原子排列順序卻大相徑庭。那么你需要研究兩種材料的晶體結構以區分彼此。同樣你可以使用X射線觀察身體內部的骨架結構，材料化學家也會使用X射線衍射去觀察晶體結構。如果內部原子是以有規則的重復構型排列，那這個材料就是結晶體，我們可以從無限的重復小部分來描述晶體的特性。當X射線照射在樣品上時，晶體中的原子會散射輻射的光波。波被晶體內不同層所散射開，并在檢測器上顯示出圖案。使用X光的原因在于它的波長與晶體層之間的距離大致相同。在研究礦物質和金屬內部原子的排列時，X光衍射是十分有用的技術。“好奇號”火星探測器使用了這一項技術去探測火星土壤中的礦物質，發現這種土壤在夏威夷附近的火山地帶也存在。

它有什么用呢？

好了，你已經制備好了材料材料，它的外觀、觸感、氣味和你以前見過的不同。但要它有什么性能呢？研究發現僅僅是第一步，接著你必須找出它是用來做什么？你設想了大量的機械測試方法：你發現沖擊材料時是多么的艱難；擠壓時是多么的柔軟；試圖彎曲時是多么的柔韌！從化學的角度看，這些技術太相似了。加熱時你可以監控材料的重量，檢測其釋放的氣體以及時間。這會提示你材料在高溫時是否穩定？你也可以嘗試把氣體收回去，看看材料是否重新獲得已失去的重量。這對于存儲二氧化碳或氫氣是有用的。你也可嘗試研究材料能否能夠傳輸電子或離子。也許幾年之內你的新材料將會在所有的智能手機電池內部。很多測試都需要較長的時間。你需要研究材料經過多次使用后會怎樣，是否開始破裂或分解。

接下來是什么？

不同表征技術的發展已經徹底改變了材料化學的世界。深入了解材料的化學組成和結構，能給你一個線索去探究材料的性能。從而著眼于研究這些性能的優化。并讓你知道，你什么時候追尋一些有前途的東西。因此隨著這些技術的運用日益廣泛，將給予人們對于材料更加詳細的信息。當然，下一個重大突破的來臨只是時間問題？

原文鏈接：When you create something new, how do you find out its properties?

本文由編輯部楊洪期提供素材，申飄陽編譯，黃超審核；點我加入材料人編輯部。