科學家的意外發現:解開「分子愛因斯坦」之謎
科學研究往往充滿意外,而這次的意外更讓研究人員發現了分子物理學中的一個全新現象。起初,科學家們以為自己犯了錯,但這個「錯誤」卻引領他們揭開了一個與「愛因斯坦拼圖」相關的分子排列之謎。這項發現不僅結合了數學與化學,更可能為分子物理學帶來革命性的突破。
所謂的「愛因斯坦拼圖」問題,其實與物理學家愛因斯坦無關,而是一個數學難題:是否有一種形狀能在無限平面上拼出永不重複的圖案?2022年,英國業餘數學家大衛·史密斯(David Smith)發現了這樣一種形狀,稱為「原型拼圖」。然而,瑞士聯邦材料科學與技術研究所(Empa)的化學家卡爾-海因茨·恩斯特(Karl-Heinz Ernst)從未想過,這個數學難題會與他的研究領域產生交集。
恩斯特的研究專注於分子在金屬表面的結晶過程,而非拼圖問題。但這一切改變了,當他的博士生揚·沃伊特(Jan Voigt)在一次實驗中發現,某種分子在銀表面上結晶時,並非形成預期的規則結構,而是呈現出一種永不重複的不規則圖案。更令人驚訝的是,每次重複實驗時,都會出現不同的非週期性圖案。
起初,恩斯特和沃伊特以為這是實驗失誤。但隨著深入研究,他們發現這些圖案是真實存在的。問題隨之而來:為什麼分子會以這種方式排列?答案最終發表在《自然通訊》(Nature Communications)期刊上,揭示了化學與這一長期數學難題之間的意外聯絡。
恩斯特和沃伊特的研究重點是所謂的「手性」(chirality),即許多有機分子的左右對稱性。雖然手性結構在化學上是相同的,但它們無法相互旋轉,就像我們的右手和左手一樣。這一特性在製藥業尤其重要,因為超過一半的現代藥物都具有手性。由於人體內的生物分子(如胺基酸、糖類和蛋白質)都具有相同的手性,因此藥物活性成分也必須具備正確的手性,否則可能無效甚至有害。
在有機分子合成過程中控制手性,是化學領域的一大挑戰。其中一種方法是利用手性分子的結晶過程,這種方法成本低廉且廣泛應用,但其機制尚未完全被理解。恩斯特團隊原本希望透過實驗進一步探索這一機制。他們選擇了一種特殊的分子,這種分子在室溫下容易改變手性,而大多數手性分子幾乎不會發生這種情況。
「我們原本預期分子會根據其手性在晶體中排列,要麼交替排列,要麼以相同手性分組排列。」恩斯特解釋道。然而,分子卻看似隨機地排列成不同大小的三角形,這些三角形又進一步在表面上形成不規則的螺旋結構——這正是研究人員最初以為是錯誤的非重複性結構。
經過大量研究,沃伊特和恩斯特終於破解了這些分子圖案的奧秘。他們不僅透過物理和數學進行分析,還實際用拼圖在電腦上甚至廚房桌上進行模擬。結果發現,分子的排列並非完全隨機,而是形成邊長介於2到15個分子之間的三角形。在每次實驗中,都會有一種三角形尺寸佔主導地位,而相鄰尺寸的三角形也會出現,但其他尺寸則不會。
「在我們的實驗條件下,分子『希望』盡可能密集地覆蓋銀表面,因為這是最有利於能量的結果。」恩斯特解釋道。然而,由於手性的存在,這些三角形的邊緣無法完全吻合,必須稍微偏移。較小和較大的三角形則被用來盡可能高效地填補表面。這種排列方式也會在某些地方產生缺陷——即微小的不一致或空洞,這些缺陷可能成為螺旋結構的中心。
「從能量角度來看,缺陷通常是不利的,」恩斯特繼續說道,「但在這種情況下,它們卻能讓三角形排列得更密集,從而補償『損失』的能量。」這種平衡也解釋了為什麼研究人員從未發現相同的圖案:如果所有圖案在能量成本上相同,那麼熵(entropy)就成為決定因素。
「分子愛因斯坦」之謎已經解開,但這項發現對我們有何意義?「在原子或分子層面上具有缺陷的表面可能具有獨特的性質,」恩斯特解釋道,「特別是對於我們這種非週期性表面,理論預測其中的電子行為會有所不同,這可能催生一種全新的物理學。」
然而,要進一步研究這一現象,需要在不同表面上並施加磁場的條件下觀察這種非週期性分子。已經退休的恩斯特將這項任務留給了後人。「我對物理學有點敬畏,」這位化學家笑著說道。