水只有三种状态吗?如何通过光揭示可以物质“隐藏”的相

大多数人认为水只存在于三种状态之一:固态冰、液态水或气态蒸汽。但是物质可以存在于许多不同的阶段——例如,冰有十八种已知的阶段(取决于原子在空间上的排列方式)。压电材料(如麦克风和超声波)的广泛应用是可能的,这要归功于对外力(如压力、温度或电)如何导致相变的基本理解,从而赋予材料新的特性。一项新研究发现,金属氧化物有一种“隐藏”的相。

这种相使材料具有新的铁电性质,当它被极快的光脉冲激活时,能够分离正电荷和负电荷。这项研究由麻省理工学院的研究人员Keith A. Nelson、Xian Li和Edoardo Baldini领导,他们与Andrew M. Rappe、宾夕法尼亚大学的研究生Tian Qiu和Jiahao Zhang合作,其研究结果发表在《科学》上。该研究打开了创造材料的大门,人们可以在一万亿分之一秒内打开和关闭属性的开关,现在有了更好的控制,除了改变电势,这种方法还可以用来改变现有材料的其他方面

例如,将绝缘体转变成金属或翻转其磁极,这为快速功能材料重组开辟了一个新的领域。该小组研究了钛酸锶,一种用于光学仪器、电容器和电阻的副电学材料。钛酸锶具有对称的非极性晶体结构,可以被“推入”具有极性的四方结构的相中,这种结构长轴上有一对带相反电荷的离子。Nelson和Rappe之前的合作为这项新研究提供了理论基础,该研究依赖于Nelson利用光诱导固体材料相变的经验,以及Rappe在开发原子级计算机模型方面的知识。

可以根据光谱报告他认为正在发生的事情,但对所发生的事情提供一个强有力的物理理解之前,这种解释只是推测性的。随着技术的进步和从太赫兹频率研究中获得的额外知识,这两位化学家开始研究他们的理论是否成立。Rappe挑战是用精确的计算机生成钛酸锶来补充Nelson的实验,每一个原子都被跟踪和表示,它们对光的响应方式与实验室中测试的材料相同。发现,当钛酸锶被光激发时,离子被拉向不同的方向,带正电荷的离子向一个方向运动,带负电荷的离子向另一个方向运动。

然后,不是离子立即回到原来的位置,而是像钟摆被推后那样,在其他原子中产生的振动运动阻止了离子立即回到原来的位置。这就像钟摆,当它达到振动的最大高度时,会稍稍偏离原来的轨道,一个小缺口把它固定在远离初始位置的地方。由于尼尔森和拉普有很强的合作历史,他们能够在理论模拟和实验之间来回转换,反之亦然,直到他们发现实验证据,证明理论是正确的。这是一次非常棒的合作,这说明,创意可以慢慢酝酿,然后在10多年后全面回归。

这两位化学家将与工程师在未来的应用驱动研究方面展开合作,比如创造具有隐藏相的新材料,改变光脉冲协议以创造更持久的相,以及观察这种方法如何应用于纳米材料。目前,两位研究人员都对他们的研究结果感到兴奋,并对这一根本性突破在未来可能带来的结果感到兴奋。这是每个科学家的梦想:和朋友一起构思一个想法,规划出这个想法的结果,然后有机会在实验室里把它转化成某种东西,这是非常令人满意的。