分子的舒適小窩：超穩有機玻璃的終極挑戰

材料牛注：有機玻璃里的分子就像一群叛逆的小子，如何讓他們聽從你的指揮，既不自由散漫也不過于循規蹈矩而失去個性，這著實是個難題。然而，Ediger教授卻做到了。

“對普通人來說，什么是玻璃？他們也許會指向窗戶。事實上，玻璃是一種應用范圍十分廣泛的材料。一把塑料尺是一塊聚合物玻璃。波音787飛機的機身則是碳纖維增強的聚合物玻璃。三星手機的顯示屏使用的有機發光二極管（OLED），同樣也是由有機玻璃做的。”——Mark Ediger 威斯康星大學化學教授

三十年來，威斯康星大學的化學教授Ediger堅持對有機玻璃的基礎性質進行探索，同時致力于研究如何控制分子排布以及延緩非晶物質降解的方法。Ediger教授告訴我們，一些硅酸鹽玻璃制品，如燈泡、啤酒瓶和窗戶等都由沙子制成，其科學研究都已經非常成熟。而其他一些玻璃的研究卻處在現代科學前沿。就拿Ediger教授感興趣的有機玻璃來說，它們的基礎成分是碳——絕大多數分子聚集組合的核心元素。

從科學角度講，玻璃是一種非晶的固體材料，它是由分子或原子以多種形式無序堆積而成。晶體則只服從某一種特定的原子排布方式。玻璃比晶體用途更廣。Ediger教授說：“對任一有機分子來說，你只能從中找到非常少的晶體結構；如果從中找不到理想的性質，那就會很糟糕了。但是玻璃中的分子對所處的環境以及所接觸的物質是很靈活的，因此我們可以制出數不勝數的有機玻璃。例如，疏水玻璃 、抗光降解玻璃等。”

在大多數玻璃中，OLED中的發光分子的方向或多或少是隨機排列的。“但是你卻希望這些分子的取向是固定的，如此一來就可以朝著特定的方向發光，例如朝著人們的眼睛。這聽起來確實像是在馴服一群叛逆的分子。如果我們完全馴服他們，那么我們則會得到晶體，但那并不是我們想要的，于是我們找到了一個折中的辦法，制造出了不是晶體但比傳統材料更好的玻璃。”Ediger 教授如是說到，而且教授還認為如果先進生產技術能夠控制OLED分子取向，可以提高效率并且提高電池壽命。玻璃中緩慢但持續的分子運動，每年會使百萬余手機屏上的OLED性能老化。因此，更穩定的玻璃可以延長手機顯示屏的壽命。

當然，晶體有它自己的長處——例如，單晶硅常用于制造電腦芯片。但是當你想透過窗戶看到外面的世界或用光來傳輸電子信息時，玻璃無疑是更好的選擇。Ediger 說：“光纖能夠傳輸一個信號60英里，而不發生邊界散射，這是在晶體中無法達到的。”

2007年，Ediger 和他的同事在期刊 Science上報導了關于探索介于晶體周期性排布與玻璃非晶狀態之間的中間地帶的重大突破。文章描述了在真空室中蒸發-沉積有機分子制得的有機玻璃。“最初我們不知道我們所做的是什么，我們只知道它是神奇而無法預知的。”Ediger說。新材料在中子輻照下的變化并沒有像我們預期的那樣。“經實驗證明，我們所預測的分子開始運動的臨界溫度，比實際上分子開始運動的臨界溫度低了25℃。出人意料的結果是，我們做出了一個分子組態更好的玻璃，他們可以在更高的溫度下保持穩定。”

Ediger教授歷經曲折終于找到了超穩玻璃并且成功地解決了看似無法避免的少量原子重排而導致分解的題。“我們的貢獻在于揭示了傳統玻璃和晶體之間有趣的灰色地帶。”Ediger教授說道，“你需要使他們的排列有一定得規律，但是太多的干涉會使其轉變為晶體，那么你就偏離了實驗目的。”

Ediger 教授最終發現了氣相沉積的方法，使分子以“舒適的位置”排列，然后用其他分子覆蓋使其固定。這項技術可以和快速制作古老的葡萄酒的工藝相媲美。“事實上，這些材料有成千上萬年的歷史。分子們已經找到了他們覺得舒適的組合排布方式，而且會在這舒適的地方享受很長一段時間。”

原文參考地址：Making molecules comfy: Ultimate challenge for 'glass guy'

本文由丁菲菲提供素材，薛文嘉翻譯，李卓審核。