Only Perception: Upsalite：科學家意外製造出「不可能的物質」

2013-09-06

Upsalite：科學家意外製造出「不可能的物質」

Upsalite: Scientists make 'impossible material'... by accident
http://phys.org/news/2013-08-upsalite-scientists-impossible-material-byaccident.html

Aug 13, 2013 by Andrew Bissette, The Conversation

瑞典 Uppsala 的研究者意外地讓某次反應持續整個週末，最後還解開了一個有百年之久的化學問題。他們的研究導致一種新物質的產生，名為「Upsalite」，具有非凡的保水（water-binding）特性。從家庭的濕度控制到產業的化學製造的每樣東西，Upsalite 都可望從中找到應用。

Maria Stromme 與 Uppsala 大學的同僚（他們的研究出現在 PLOS ONE 期刊上），修改了一種可回溯到 1908 年的程序，要製造出呈現粉狀、乾燥形態的碳酸鎂（magnesium carbonate，MgCO3）。反應成份都相當便宜：氧化鎂（MgO）與二氧化碳（CO2），溶解在甲醇（一種常見的工業用溶劑）中。結果是純的、乾燥的碳酸鎂。

在此例中，乾燥的意思是「非常乾」。在化學的意義上，那意味幾乎沒有任何水分子在其中。

乾燥碳酸鎂的結晶形態，那缺乏吸水的成份，很容易在高溫下（超過攝氏 100 度）合成。早在 1820 年，人們已開始尋找製造乾燥碳酸鎂的低溫途徑，不過沒有人能成功產製純的產物，一直到現在。這也是為何 Upsalite 被形容成「不可能的物質」。

關鍵的修改在於把二氧化碳的壓力增強至三倍大氣壓，而不是只讓此氣體冒泡通過位於甲醇內的氧化錳混合物。當某個混合物意外地在整個週末進行反應後，研究者回到實驗室，卻發現了某種凝膠。結果證明，甲醇分子受陷在這種材料中，從而形成這種凝膠。當加熱到攝氏 70 度後（那高於甲醇的沸點），這種膠狀物「固化，並崩潰成白色且粗糙的粉末」。經分析證實，產物只是科學家超過百年來試圖製造的乾燥碳酸鎂粉末。

Upsalite 具有許多成為乾燥劑、令人印象深刻的特性，它的吸水能力比目前所用、昂貴許多的材料（稱為 zeolites，沸石）好。當 Upsalite 從潮濕的地方被轉移到非常乾燥的環境時，其所吸收的水分絕大部分都能保留。只要把它加熱到攝氏 95 度，就能使乾燥形態再度產生。相較之下，絕大多數的沸石需要被加熱超過攝氏 150 度以便使其乾燥。 Upsalite 不僅容易製造、重複使用，而且對人類無毒，那使得它適合用於室內濕度控制。

令人印象深刻的乾燥特性根源於 Upsalite 具有非常大的內部表面積。碳酸鎂是一種常見礦物，以各種形態現身，絕大部分有水分子結合到其表面且成為結晶體。相較之下 Upsalite 沒有水併入其結構中，而且也沒有結晶化。相反地，它是一種中孔（mesoporous）-- 這種結構上的孔洞比人類頭髮的寬度要小一百萬倍 -- 那使其具有很大的表面積。

過去二十年來，由於中孔材料（例如沸石與奈米碳管）能選擇性地吸收小分子，那也許在藥物傳遞、污染移除以及用於化學反應的新催化劑的開發上有所應用，對於它的關注成了一股浪潮。體認到這些可能性後，研究者成立了一家衍生公司，稱為 Disruptive Materials 將 Upsalite 商業化。

※ 相關報導：

＊ A Template-Free, Ultra-Adsorbing, High Surface Area Carbonate Nanostructure
http://dx.doi.org/10.1371/journal.pone.0068486