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氨基酸晶体中的极性缺陷:设计,结构和新兴功能
Accounts of Chemical Research ( IF 16.4 ) Pub Date : 2018-04-20 00:00:00 , DOI: 10.1021/acs.accounts.8b00054
Elena Meirzadeh 1 , Isabelle Weissbuch 1 , David Ehre 1 , Meir Lahav 1 , Igor Lubomirsky 1
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晶体是由极性表面划定的物理阵列,通常包含极性性质的缺陷。在分子水平上理解此类缺陷的结构非常重要,因为它们会严重影响材料的宏观性能。此外,可以通过在非极性晶体中掺入“量身定制的”添加剂作为掺杂剂,有意地和专门地设计晶体中的极性缺陷,因为它们的掺入通常以极性模式进行。掺杂剂的插入还引起相邻主体分子的极性变形,从而在晶体内产生极性域。扭曲的主体分子对这些畴的极性的贡献应该很大,特别是在由具有大偶极矩的分子组成的晶体中,例如两性离子氨基酸,其偶极矩高达〜14D。极性材料是热释电的,即,它们由于温度变化而产生表面电荷。随着最近用于测量电流的非常敏感的仪器的应用,再加上理论计算,已经可以在分子水平上确定极性缺陷的结构,包括表面。热电的检测需要连接电极,这可能会引起各种伪影并改变晶体表面。因此,开发了一种使用X射线光电子能谱法进行非接触式热释电测量的新方法,并将其与传统的周期性温度变化技术进行了比较。在此,我们通过以下具体示例描述分子水平上分子性质不同的缺陷的结构以及它们如何影响晶体的宏观特性的分子水平确定:(i)由以下方面提供的对非经典晶体生长机制的实验支持:从存在于非极性氨基酸晶体不同面上的近表面溶剂化极性层检测热电。(ii)对映体疾病通过检测沿其非极性方向异常强的热电而公开的d1-丙氨酸晶体。此类疾病的存在(通过精确的衍射技术无法发现)解释了它们的针状形态之谜。(iii)l-天冬酰胺·H 2 O / l的混合极性晶体的设计-通过热电和X射线衍射测定的可控制极性的天冬氨酸及其在过冷水电冻结机理研究中的用途。(iv)热电学结合色散校正的密度泛函理论计算和分子动力学模拟,作为分子水平确定由掺杂不同l的α-甘氨酸晶体产生的极性域结构的分析方法-浓度低于0.5%的氨基酸。(v)在大量的α-甘氨酸晶体中选择性插入少量醇,阐明它们作为亚稳态β-甘氨酸多晶型物诱导剂的作用。总而言之,各种示例表明,尽管这些缺陷的存在量很小,但可以通过灵敏的热电测量来检测它们,并将其与理论计算相结合,可以阐明它们的各种新兴功能。



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更新日期:2018-04-20
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