佛罗里达州立大学研究人员深入研究化学花园的生长方式

自 1600 年代中期以来，化学家一直对通过在小瓶中混合金属盐而形成的色彩鲜艳的珊瑚状结构着迷。

到目前为止，研究人员一直无法模拟这些看似简单的管状结构(称为化学花园)如何工作以及控制其形成的模式和规则。

在本周《国家科学院院刊》上发表的一篇论文中，佛罗里达州立大学的研究人员提出了一个模型，该模型解释了这些结构如何向上生长，形成不同的形状，以及它们如何从一种灵活的、自我修复的材料转变为更强大的材料。脆的。

“在材料方面，这非常有趣，”佛罗里达州立大学化学和生物化学教授奥利弗·斯坦博克(Oliver Steinbock)说。“它们不像晶体那样生长。晶体具有漂亮的尖角，并逐层生长原子。当化学花园出现漏洞时，它会自我修复。这些确实是学习如何制造能够自我重新配置和修复的材料的早期步骤。”

通常，当金属盐颗粒放入硅酸盐溶液中时，就会形成化学花园。溶解的盐与溶液发生反应，形成半透膜，该膜在溶液中向上喷射，形成类似于珊瑚的生物结构。

科学家于 1646 年首次观察到化学花园，多年来一直对其有趣的构造着迷。这种化学现象与热液喷口的形成和钢表面的腐蚀有关，在钢表面上可以形成不溶性管。

“人们意识到这些都是奇怪的事情，”斯坦博克说。“他们在化学方面有着悠久的历史。它变得更像是一个演示实验，但在过去的 10-20 年里，科学家们再次对它们产生了兴趣。”

斯坦博克与博士后研究员布鲁诺·巴蒂斯塔和研究生阿马里·莫里斯开发的数学模型的灵感来自于将盐溶液稳定地注入两个水平板之间较大体积的硅酸盐溶液中的实验。这些显示出不同的生长模式，并且材料一开始是有弹性的，但随着年龄的增长，材料变得更加坚硬并且容易断裂。

两层之间的限制使研究人员能够模拟许多不同的形状图案，有些看起来像花朵、头发、螺旋和蠕虫。

在他们的模型中，研究人员描述了这些模式在化学花园的发展过程中是如何出现的。盐溶液的化学组成可能有很大差异，但他们的模型解释了形成的普遍性。

例如，图案可以由松散的颗粒、折叠的膜或自延伸的细丝组成。该模型还验证了新膜因微破裂而膨胀的观察结果，证明了材料的自我修复能力。

“我们得到的好处是我们了解了描述化学花园的形状和生长所需的本质，”巴蒂斯塔说。