这些微小的“花儿”长得落落有致、圆润优雅，尽管它们是晶体，却不像一般晶体那样长得或立方状或锯齿状。“康乃馨”和“金盏花”在水中的玻片上自我组装成一个个的分子时，就像是在玻片上慢慢绽放。这就是登上最新一期《科学》杂志封面的美丽花朵。

两百多年来，人们一直好奇大自然中的复杂形状是如何演变的。通过改变烧杯内液体的化学梯度而控制晶体的生长方式，哈佛大学工程应用科学院的研究者发现，他们可以创造出宛若雕饰过的精致微观结构。

该文章的第一作者、哈佛大学工程应用科学院的博士后维姆·诺度因（Wim L. Noorduin）指出，“这个工作帮助人们认识到仅仅通过环境、化学上的改变，可能发生什么。晶体的沉积依赖于扩散溶解在液体中的化合物反应，晶体的生长会朝向或背离某特定的化学梯度，因为反应的pH值会随之改变。化合物反应的环境决定了晶体的结构是像向外伸出的宽叶、纤细的茎还是玫瑰花瓣。”

在大自然中，化学梯度影响生长的现象一点也不稀奇。例如，海洋生物的贝壳上弯曲的条纹受水下碳酸钙的影响；人类胚胎发育过程中的信号分子的浓度梯度帮助身体建立发育模式；同样，哈佛生物学家霍华德•伯格（Howard Berg）的研究发现，成群生长的细菌可以感知并响应彼此分泌的化合物梯度，而生长为具有复杂的几何图案的群落。

想要在实验室中复制类型的效果，需要确定一个合适的化学反应，并且反复测试，搞清楚酸碱度（pH值）、温度以及空气等变量如何影响晶体的纳米结构，而这正是本文通讯作者、哈佛化学与化学生物学教授乔安娜•埃森伯格（Joanna Aizenberg）的强项。埃森伯格是仿生生物材料学、生物矿化和自组装方面的权威专家，她在评论这一研究时表示：“我们的方法是研究生物系统，思考它们能做到什么我们不能做到的，然后使用这些方法来优化现有的技术或创新。我们幻想着能有一天像生物体那样去构建物质。”

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为了塑造花的结构，努尔杜因和他的同事将氯化钡（BaCl2）和硅酸钠（Na2SiO3，俗称水玻璃）溶解在盛有水的烧杯中。随着水中溶解的来自空气的二氧化碳浓度的增加，碳酸钡（BaCO3）晶核形成并使得其周围溶液的pH值骤然降低，从而为二氧化硅（SiO2）产生沉淀提供了合适的条件，生成的二氧化硅增加了整个晶体结构，同时将溶液中的酸耗尽，使得pH值恢复到适合碳酸硅晶体产生的范围。就这样随着反应与扩散的循环往复，BaCO3 和 SiO2 沉淀依此产生。

“沉淀是自然发生的，但是仅仅通过改变反应中的条件，就可以使晶体向着你想要的样子生长，”努尔杜因指出：“例如增加二氧化碳的浓度，有助于创造‘阔叶’结构，在恰当的时间逆转的pH梯度可以创建弯曲、褶皱的结构。”

除了在玻片和金属片上“种花”，他们还在一美分硬币的林肯总统像前面“种”了一簇花。努尔杜因说：“当你透过电子显微镜观察时，那种感觉有点像你在海里潜水，观赏一片巨大的珊瑚和海绵；有时我都忘了去拍照，因为探索的过程实在太美了。” 

 

信息来源：哈佛大学工程应用科学院网站，Beautiful flowers self-assemble in a beaker
文章图片：seas.harvard.edu