化学人带你走进材料的内部天堂

材料牛注：大千世界，奇幻莫测，而材料无处不在。生活在充满材料的世界里，你是否好奇过材料内部是怎样的呢？是否好想知道如何观察材料内部呢？不要着急，下面一一为你揭晓。

生活在材料的世界里

想象一下：你是一位化学家，每天努力研制新的材料。你可能会往反应物里加入不同的东西，也可能与平时相比加热更长或更高的温度。那么你要如何知道是否已经成功做出了一些之前没有的东西呢？你的反应物可能变成了不同的颜色或者有了些气味，也可能都不是。人们在自己的厨房里也可能会分不清盐和糖，所以你不能只依赖于眼睛去观察。化学家们会使用不同的方法来表征材料的特性，以找出这是否是下一个热门课题。

近距离看

首先你可能会使用一套强大的设备来观察：显微镜领域的发展不再局限在只应用观察玻璃片上的叶子或者缺陷的光学显微镜。观察材料所使用的光学显微镜，会受限于光子的波长，而电子的波长比可见光子波长要短100，000倍。所以在使用电子显微镜时，你可以看到比之前更小和材料中更加明显的变化。这种方法得到的高分辨率图像已经用于石墨烯研究中，目的是观察石墨烯层中是否存在缺陷。

由什么组成？

如果在观察材料的外部后没有获得任何线索，你就可以尝试观察材料内部是什么。你可能会想由于知道了往反应混合物里添加了哪些成分，因此可以预知最终结果是什么，但事情的发展并不常常如此顺利。我们知道气体是很容易蒸发的，所以这是观察反应物中有哪些成分的一个好办法。有很多技术可以帮助你分析反应物中的化学成分。比如，质谱分析仪能用高能电子流轰击材料，目的是打散它使其变成带正电荷的碎片。这些碎片是按重量排序的，通常使用地磁场来检测，结果你会看到材料的所有组成成分。这些成分就像物质的指纹，人们已经将这个技术用于机场保安位置，目的是检测毒品或者爆炸物。红外辐射可以用来研究材料中原子是如何结合起来的。材料中一些化学键会吸收红外辐射，从而引发其振动。这种吸收会导致温室效应，例如二氧化碳中的碳氧结合键就具有这种性质。利用这种技术可以获取材料中的相关信息，例如材料中的氮原子是否结合到氧或氢原子上。

同种材料，不同结构？

有时你可能会发现两种材料有相同的化学成分，但是材料内部的原子排列顺序却大相径庭。那么你需要研究两种材料的晶体结构以区分彼此。同样你可以使用X射线观察身体内部的骨架结构，材料化学家也会使用X射线衍射去观察晶体结构。如果内部原子是以有规则的重复构型排列，那这个材料就是结晶体，我们可以从无限的重复小部分来描述晶体的特性。当X射线照射在样品上时，晶体中的原子会散射辐射的光波。波被晶体内不同层所散射开，并在检测器上显示出图案。使用X光的原因在于它的波长与晶体层之间的距离大致相同。在研究矿物质和金属内部原子的排列时，X光衍射是十分有用的技术。“好奇号”火星探测器使用了这一项技术去探测火星土壤中的矿物质，发现这种土壤在夏威夷附近的火山地带也存在。

它有什么用呢？

好了，你已经制备好了材料材料，它的外观、触感、气味和你以前见过的不同。但要它有什么性能呢？研究发现仅仅是第一步，接着你必须找出它是用来做什么？你设想了大量的机械测试方法：你发现冲击材料时是多么的艰难；挤压时是多么的柔软；试图弯曲时是多么的柔韧！从化学的角度看，这些技术太相似了。加热时你可以监控材料的重量，检测其释放的气体以及时间。这会提示你材料在高温时是否稳定？你也可以尝试把气体收回去，看看材料是否重新获得已失去的重量。这对于存储二氧化碳或氢气是有用的。你也可尝试研究材料能否能够传输电子或离子。也许几年之内你的新材料将会在所有的智能手机电池内部。很多测试都需要较长的时间。你需要研究材料经过多次使用后会怎样，是否开始破裂或分解。

接下来是什么？

不同表征技术的发展已经彻底改变了材料化学的世界。深入了解材料的化学组成和结构，能给你一个线索去探究材料的性能。从而着眼于研究这些性能的优化。并让你知道，你什么时候追寻一些有前途的东西。因此随着这些技术的运用日益广泛，将给予人们对于材料更加详细的信息。当然，下一个重大突破的来临只是时间问题？

原文链接：When you create something new, how do you find out its properties?

本文由编辑部杨洪期提供素材，申飘阳编译，黄超审核；点我加入材料人编辑部。