分子的舒适小窝：超稳有机玻璃的终极挑战

材料牛注：有机玻璃里的分子就像一群叛逆的小子，如何让他们听从你的指挥，既不自由散漫也不过于循规蹈矩而失去个性，这着实是个难题。然而，Ediger教授却做到了。

“对普通人来说，什么是玻璃？他们也许会指向窗户。事实上，玻璃是一种应用范围十分广泛的材料。一把塑料尺是一块聚合物玻璃。波音787飞机的机身则是碳纤维增强的聚合物玻璃。三星手机的显示屏使用的有机发光二极管（OLED），同样也是由有机玻璃做的。”——Mark Ediger 威斯康星大学化学教授

三十年来，威斯康星大学的化学教授Ediger坚持对有机玻璃的基础性质进行探索，同时致力于研究如何控制分子排布以及延缓非晶物质降解的方法。Ediger教授告诉我们，一些硅酸盐玻璃制品，如灯泡、啤酒瓶和窗户等都由沙子制成，其科学研究都已经非常成熟。而其他一些玻璃的研究却处在现代科学前沿。就拿Ediger教授感兴趣的有机玻璃来说，它们的基础成分是碳——绝大多数分子聚集组合的核心元素。

从科学角度讲，玻璃是一种非晶的固体材料，它是由分子或原子以多种形式无序堆积而成。晶体则只服从某一种特定的原子排布方式。玻璃比晶体用途更广。Ediger教授说：“对任一有机分子来说，你只能从中找到非常少的晶体结构；如果从中找不到理想的性质，那就会很糟糕了。但是玻璃中的分子对所处的环境以及所接触的物质是很灵活的，因此我们可以制出数不胜数的有机玻璃。例如，疏水玻璃 、抗光降解玻璃等。”

在大多数玻璃中，OLED中的发光分子的方向或多或少是随机排列的。“但是你却希望这些分子的取向是固定的，如此一来就可以朝着特定的方向发光，例如朝着人们的眼睛。这听起来确实像是在驯服一群叛逆的分子。如果我们完全驯服他们，那么我们则会得到晶体，但那并不是我们想要的，于是我们找到了一个折中的办法，制造出了不是晶体但比传统材料更好的玻璃。”Ediger 教授如是说到，而且教授还认为如果先进生产技术能够控制OLED分子取向，可以提高效率并且提高电池寿命。玻璃中缓慢但持续的分子运动，每年会使百万余手机屏上的OLED性能老化。因此，更稳定的玻璃可以延长手机显示屏的寿命。

当然，晶体有它自己的长处——例如，单晶硅常用于制造电脑芯片。但是当你想透过窗户看到外面的世界或用光来传输电子信息时，玻璃无疑是更好的选择。Ediger 说：“光纤能够传输一个信号60英里，而不发生边界散射，这是在晶体中无法达到的。”

2007年，Ediger 和他的同事在期刊 Science上报导了关于探索介于晶体周期性排布与玻璃非晶状态之间的中间地带的重大突破。文章描述了在真空室中蒸发-沉积有机分子制得的有机玻璃。“最初我们不知道我们所做的是什么，我们只知道它是神奇而无法预知的。”Ediger说。新材料在中子辐照下的变化并没有像我们预期的那样。“经实验证明，我们所预测的分子开始运动的临界温度，比实际上分子开始运动的临界温度低了25℃。出人意料的结果是，我们做出了一个分子组态更好的玻璃，他们可以在更高的温度下保持稳定。”

Ediger教授历经曲折终于找到了超稳玻璃并且成功地解决了看似无法避免的少量原子重排而导致分解的题。“我们的贡献在于揭示了传统玻璃和晶体之间有趣的灰色地带。”Ediger教授说道，“你需要使他们的排列有一定得规律，但是太多的干涉会使其转变为晶体，那么你就偏离了实验目的。”

Ediger 教授最终发现了气相沉积的方法，使分子以“舒适的位置”排列，然后用其他分子覆盖使其固定。这项技术可以和快速制作古老的葡萄酒的工艺相媲美。“事实上，这些材料有成千上万年的历史。分子们已经找到了他们觉得舒适的组合排布方式，而且会在这舒适的地方享受很长一段时间。”

原文参考地址：Making molecules comfy: Ultimate challenge for 'glass guy'

本文由丁菲菲提供素材，薛文嘉翻译，李卓审核。