米拉Senthilingam

为了本周的元素,我们进入科幻小说的世界,探索外太空的生命。Andrea Sella报道。

安德里亚·萨拉

当我12岁的时候,我和我的朋友们经历了一个阅读科幻小说的阶段。那里有艾萨克·阿西莫夫、拉里·尼文和罗伯特·海因莱因的奇幻世界,包括在神秘星球上不可能的冒险——当时阿波罗太空计划的成功只是让我们暂时打消了怀疑。我从这些故事中记得的一个主题是,外星生命形式通常以硅元素为基础,在宇宙的其他地方大量存在。为什么硅?人们常说,元素周期表中彼此接近的元素具有相似的性质,因此,受古老的转移注意力的诱惑是生命的元素’,作者选择了它下面的元素,硅。

硅图

来源:©2019 Andy Brunning/英国皇家化学万博代理学会

英国皇家万博代理化学与复利学会用这些元素图形来庆祝国际年,这些图形将在全年发布

几周前,当我去看几个朋友的作品展时,我想起了这些读物。被称为石头洞它包括在康沃尔的海洞内以极高分辨率拍摄的令人惊叹的全景照片。我们在画廊里闲逛时,我突然有了一个想法。“你能想象没有硅的世界吗?”毫不奇怪,每一张照片都以硅基岩石为主,这有力地提醒了一个事实,即硅是地壳中第二丰富的元素,而第一丰富的是硅氧气,它总是与元素纠缠在一起。

日落时分,从洞穴中俯瞰戈德雷维岛和灯塔。康沃尔郡,英格兰

来源:©Shutterstock

硅酸盐岩石——硅被四个氧原子四面体包围的岩石——存在着惊人的多样性,这些差异是由四面体构建块如何连接在一起,以及存在哪些其他元素来完成图像决定的。当一个四面体连接到另一个四面体时,你会得到一大堆疯狂的链条,看起来就像一个巨大的意大利面锅——就像普通玻璃里的那种结构。

这些链状物质中最纯净的是二氧化硅——二氧化硅——在自然界中以无色矿物石英或岩石晶体的形式普遍存在。在良好的水晶石英中,这些链排列成美丽的螺旋状,这些螺旋状都可以向左旋转。或者向右。当这种情况发生时,产生的晶体是彼此精确的镜像。但不能重叠,就像左右鞋一样。对于化学家来说,这些晶体具有手性,这一特性曾被认为是碳元素的专有特性,而手性反过来又被认为是生命本身的基本特征。然而它就在这里,在冰冷的无机硅世界里。

石英晶体

来源:©Shutterstock

最宏伟的是,人们可以制造多孔的3D结构——有点像分子蜂巢——特别是在其他基于的四面体连接体存在的情况下.这些壮观的物质被称为沸石或分子筛。通过精心调整合成条件,人们可以制造出孔洞大小明确的材料——现在你有了一种可以像龙虾陷阱一样用来捕捉适当大小的分子或离子的材料。

沸石

来源:©Clive Freeman/Biosym Technologies/Science图库

合成沸石催化剂ZSM-5的结构

但是元素本身呢?把它从氧气中释放出来是很困难的,它像死神一样挂在那里,需要残酷的条件。是康沃尔化学家和表演家汉弗莱·戴维(Humphrey Davy)首先开始怀疑二氧化硅一定是一种化合物,而不是一种元素。他把电流应用到熔融的碱和盐中,令他惊讶和高兴的是,分离出了一些非常活泼的金属,包括.现在他开始研究钾的作用。通过钾蒸汽在一些二氧化硅上,他得到了一种黑色的物质,然后他可以燃烧并将其转化为纯二氧化硅。他推到哪里,其他人就跟到哪里。在法国,Thénard和盖伊-吕萨克用氟化硅进行了类似的实验。几年后,伟大的瑞典分析学家Jöns雅各布·贝采里乌斯分离出了数量更多的这种物质,并宣布它是一种元素。

元素周期表- 14 -硅

来源:©Shutterstock

硅的性能不好。深灰色的颜色和非常有光泽的玻璃般的光泽,它看起来像金属,但实际上是一个很差的导体,在许多方面,这是它最终成功的秘密。问题是电子被困住了,有点像跳棋板上的棋子,没有空间是自由的。硅和其他半导体的特殊之处在于,可以将其中一个电子提升到空板上传导带,在那里它们可以自由移动。这有点像电影里尖耳朵的斯波克博士下的三维象棋《星际迷航》.温度至关重要。加热半导体,允许一些电子像鲑鱼一样跃迁到空传导带。与此同时,留下的空间——被称为洞——也可以移动。

但是还有另一种方法可以让硅导电:这看起来有悖常理,但却是通过故意引入杂质人们可以巧妙地改变硅的电行为。这些技巧是硅芯片功能的核心,让你能够收听这个播客。在不到50年的时间里,硅已经从一个令人好奇的东西变成了我们生活中的基本元素之一。

但问题仍然存在,硅的重要性仅仅局限于矿物世界吗?前景似乎并不乐观——硅酸盐纤维,比如蓝色石棉中的硅酸盐纤维,大小刚好可以穿透肺部深处,刺穿并划破肺部内壁。然而,由于其非凡的结构可变性,硅化学已被生物系统所利用。硅酸盐碎片潜伏在荨麻的刺中,等待着划破粗心的旅行者柔软的皮肤,注入微量的刺激物。在海洋食物链的底部,许多微小的生命形式,硅藻,生长出了数量几乎难以想象的微妙的硅酸盐结构。

显微镜下的硅藻

资料来源:石溪大学的Gordon T. Taylor

从显微镜下看到的各种硅藻。这些微小的浮游植物被包裹在硅酸盐细胞壁内,它们生活在南极洲麦克默多海峡的年度海冰晶体之间

因此,人们能在太空的某个地方找到硅基外星人吗?我的直觉可能不会。当然不是作为元素。它太活泼了,人们总是发现它与氧气有关。但即使与氧气有关,这似乎也不太可能,或者至少在我们在地球上发现的那种温和条件下不太可能。但话说回来,没有什么比惊喜更让人思考的了。正如遗传学家J B S霍尔丹(J B S Haldane)所说,“宇宙并不比我们想象的更奇怪。这比我们所能想象的还要奇怪。”我生活在希望之中。

米拉Senthilingam

因此,尽管不太可能,但太空中可能潜伏着一些基于硅的惊喜。这是伦敦大学学院一直充满希望的安德里亚·塞拉,她的研究方向是硅的生命形成化学。下周我们会听到roentgenium我们需要的元素是恰到好处的。

西蒙棉花

这个想法是为了离子穿透这样两个原子核就会融合在一起,形成一个更大的原子。碰撞的能量必须小心控制,因为如果镍离子的速度不够快,它们就无法克服两个正电荷原子核之间的排斥力,只会在接触铋时飞出去。然而,如果镍离子有太多的能量,产生的“复合核”就会有太多的多余能量,以至于它会发生裂变并解体。诀窍在于,就像金发姑娘的粥一样,要“恰到好处”,这样原子核的融合就会发生。

米拉Senthilingam

和西蒙·科顿一起探究伦琴元素的创始人是如何创造出成功的碰撞的元素中的化学.在那之前,我是Meera Senthilingam,感谢大家的收听。