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一种分子两个功能:降熔点、重组化学键——科学家发明"编程玻璃"

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玻璃,我们太熟悉了——窗户、手机屏、灯泡,随处可见。但你有没有想过:一块玻璃的内部结构,竟然能在它"融化的时候"被当场改写?

过去,科学家做玻璃,基本是"看原料吃饭":原料是什么样,烧出来的玻璃化学结构就是什么样,只能接受,很难修改。

但8月底发表在顶级期刊《自然·材料》(Nature Materials)上的一项研究,把这个规则打破了。



研究速览

团队:德国多特蒙德工业大学、帕德博恩大学、杜伊斯堡-埃森大学与英国牛津大学联合完成。

方法:在MOF(金属有机框架)衍生玻璃的熔化过程中,加入一种叫"1,10-菲咯啉"的有机分子。

效果:一种分子干两件事——一边降低熔点,一边重组金属原子周围的化学键。

期刊:Nature Materials(2026年8月24日在线发表)。

玻璃为什么难"设计"?

先说背景。玻璃和晶体不一样:晶体里的原子排得整整齐齐,像阅兵方阵;玻璃里的原子则"乱成一团",没有规律。

这种无序,让玻璃有了许多独特性质,但也让它成了"最难设计的材料"之一——你没法像晶体那样,靠调整原子排列来改变性能。

更麻烦的是,有些很有潜力的材料,还没熔化就先分解了,产生杂质,性能大打折扣。这让新玻璃的开发处处碰壁。

核心突破:一种分子,干两件事

研究团队的办法,是在玻璃还是"液体"的时候,加入一种叫1,10-菲咯啉的小分子。

别小看这个分子,它身兼两职:

第一,当"助熔剂":把材料的熔点大幅降低——很多材料在熔化前就分解了,熔点一降,就能安全"过关"。

第二,当"化学改造师":直接和金属原子结合,部分替换原来的化学键,改变原子周围"邻居"的数量,从而重组整个玻璃网络。

领导这项研究的塞巴斯蒂安·亨克(Sebastian Henke)教授说:这个分子不是简单地"填空",而是真的参与反应——在材料还是液态的瞬间,精确改写它的化学结构。



实测验证:钴玻璃的磁性终于"露脸"了

怎么证明原子真的被重组了?团队用了X射线吸收光谱等技术,专门观察钴原子。

结果很妙:钴原子的化学价态没变,但它周围的化学环境和键合方式,发生了明显变化。

在含钴玻璃上,温和的加工方式还避免了有害分解产物的产生——杂质一清除,玻璃"与生俱来"的磁性终于能干净地观察到,这在以前会被杂质干扰。

这项技术能干什么?

通过调节分子的用量,就能控制化学键重组的程度,直接"调校"材料的磁性、发光等性质——不再被动接受原料的"出厂设置"。

团队还验证了,这种方法不止适用于一种材料家族,羧酸盐类骨架结构也能用。这意味着,"熔化化学"可能成为设计金属有机玻璃的通用手段。

未来,这种"量身定制"的玻璃,有望用在:气体储存、电池、光学器件、催化、传感器、光电子学等领域。

未来展望:从"加工玻璃"到"编程玻璃"

亨克教授的总结很形象:熔体不再是僵硬的中间状态,而是一个可以"编程"结构的反应空间。

过去,熔化只是原料到成品之间不得不走的一步;现在,它变成了科学家创作新材料的机会。

当然,这项技术目前还停留在实验室阶段,距离量产和商业应用还有很长的路。但方向已经打开——下次你再看到玻璃,或许可以想想:这块玻璃,可能是被科学家"当场编程"出来的。

来源文章:DOI: 10.1038/s41563-026-02712-5

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