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一个精心设计的缺憾 具有多面体外形、瑰丽多彩的晶体自古就引起了人们的注意，成为人们观察和欣赏的对象。晶体是指在结晶过程中形成、具有规则几何外形的固体，晶体为什么具有规则的几何外形呢？因为在晶体里构成晶体的微粒（分子、原子、离子等）是规则地排列的，具有结构的周期性。所谓结构的周期性，是指同一种微粒在空间排列上每隔一定距离重复出现。如果每一个微粒用一个点代表，则所有这些点组成一个有规则的空间点阵。 我们知道，在一个平面上，互相排斥的带电粒子会像撞球游戏开始时候的情形一样自动排列，企图达到能量最低的稳定状态，最终在一个个由等边三角形组成的空间格子上附着，每个粒子外围各有6个粒子包围，这是非常直观而容易想象的。也正是这样的微粒排列方式，才形成了物体的晶体结构。 然而当平面换成球面时，问题可就不那么简单了。球面上的粒子会怎样自动排列呢？科学家一直认为，一个平面分布的网格是不能包裹在一个球面上的，因为那样会破坏网格完整的三角形单位的布局。这个论断可能部分来源于人们的思维定势：一个球面是不能“完美”地平展成一个平面的；同样道理，一块平面是不可能没有褶皱地、“完美”地包裹在球体上。 最近，美国几位研究人员通力合作，利用显微镜观察到了微小粒子在水滴表面的排列情形：球面上的晶体迎合它们所在的曲面的方式是——形成“疤痕”！正是这些疤痕使得微小粒子能够挤进孔隙之中。这一次，大自然让我们见识了她精心设计的一个“缺憾”！ 科学家揭开“疤痕” 科学家们一直相信，球面上的粒子会以一种非同寻常的方式进行包裹、堆积，从而形成结晶，但却缺乏相关的实验证据。最近，美国的这几位研究人员设计了一项实验，以实际观察粒子究竟怎样排列。 为了做出球面上的晶体，研究人员极其耐心地使仅仅直径1微米的聚苯乙烯小珠子聚集、吸附于直径几十微米的不同大小的小水滴上，而小水滴又是悬浮在甲苯氯苯的混合液中的。接下来，他们再利用显微镜观察水滴上晶体的形成过程，摄下各个水滴表面的粒子的排列情形。 研究人员惊奇地发现球面上晶体里三角形的“完美”式样被破坏了，它们被若干个“缺口”挤压，还有，每个珠子是与五个到七个珠子相邻，而不像平面晶体中，每个珠子都与其它六个同伴相邻。 这是为什么呢？原来，球面弯曲能够从根本上改变粒子的排列状况，当平面晶体弯曲成球面后，缺口就出现了。因此，缺口结构是球面上的晶体的基本特征，缺口以一定的规律出现，较小的球面上的晶体有12个独立的缺口，但是较大的球面上的晶体会表现出锯齿状的缺口串，科研人员称之为“疤痕”。 疤痕原来并不丑陋 这项研究原本源于科学家们的好奇心，然而这些发现很可能将对科学中的很多领域产生影响。 这些球面上的“疤痕”据推测应是化学活性较大的地方，这个发现极有可能应用在对付致病性的病毒和细菌上。某些病毒的外壳就是球状结构，例如猴癌病毒SV40，就是直径为40纳米的球形动物病毒，一些细菌也有相似的球形结构。想要对付它们，或许可以针对它们“疤痕”的所在来设计特定的化学反应，从而帮我们找到病人身体内部潜在的病毒特征。 另外，由于人们已经能够直接利用原子、分子进行生产，制造出1~100纳米的纳米微粒，并把它们作为基本构成单元，适当排列成三维的纳米固体。而许多纳米材料也是球状结构，了解这些“疤痕”必将使研究人员更容易掌握材料的特性，将指导工程师设计新的分子。随着研究的进一步深入，我们会清楚地预测缺口在纳米结构中产生的情况，科研人员就能设计更好的方法，去制造人类所需的各种大分子。 |
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