同性相吸，一种全新的化合物诞生了

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乔纳森·巴恩斯（Jonathan Barnes）是美国西北大学的一名研究生，他一直认为爱的力量比恨更强大，并且创造出了一种全新的化合物，证实了这个观点。巴恩斯和他的同事首次把两个完全相同的四价阳离子环（tetracationic rings）互锁到了一起。而常识告诉我们，同样带正电的离子在正常情况下是互相排斥的，很多专家也曾说过这是不可能实现的，那么他们是如何做到的呢？
表面上看，这两个环之间“恨意十足”，因为每个环都携带4个正电荷（这使得它们成为了四价阳离子）。但是，巴恩斯通过引入自由基（未配对电子），发现可以在它们之间创造出一种“爱恨交加”的关系，并且“爱”最终会战胜“恨”。因为未配对电子想要形成配对的稳定状态，结果就使得两个环之间的单电子吸引力比排斥力要强。事实上，将环链接起来的整个过程并不是通过化学结合，而是利用一种机械结合，这样结合一旦完成，就不会被轻易地分开。
对于这个新型稳定有机自由基化合物的详细介绍将会于1月25日在《科学》杂志上发表。
“也不是说人们以前曾尝试过但是未能将两个环连在一起，而是他们压根就没想到这是有可能的，”论文的主要作者弗雷泽·斯托达特爵士（Sir Fraser Stoddart）说道，“现在这个分子已经出现，这让我们非常兴奋，就看这个新的化合物能引领我们走向何方了。”
2 i( L0 K6 n7 F1 ]" v5 v弗雷泽是美国西北大学温伯格学院艺术与科学学院理事委员会的化学教授。在20世纪80年代末期，他是最早将除了化学结合之外的另一种结合方式（即机械结合）引入到化学领域的先驱者之一。
) {' ^6 P# K/ i" Z7 ?这种新的化合物有着吸引电子的特性，而且实现起来很迅速，成本也不高。再过一段时间，研究者们就可以将这种最初成对出现的分子发展成为更长的链，就像高分子聚合物那样，因此这种方法很可能就将在制造电池、半导体和电子存储设备的新技术上有用武之地了。
事实上，论文的第一作者乔纳森·巴恩斯仅仅在两年前才开始研究自由基化学中的环双(对-蒽基-对草快)，而这已经是在环双出现的25年之后了。
/ f' ?1 q9 [( u+ j6 M“我在想如果我们把它发挥到极致会怎么样，”巴恩斯说道，“我们能将这两个携带四个正电荷的环永远结合到一起么？”两个环本来是相互排斥的，就像磁铁的相同端，而巴恩斯想出可以通过使用自由基来克服二者的排斥，从而改变其化学性能。
“在一定的条件下，我们让这些环结合并‘相爱了’，而且一旦它们形成了机械结合，那么这种结合就是无法被破坏的。”巴恩斯说。
巴恩斯最初的策略是：在环中加入电子以临时性地减少正电荷，然后将两个环结合在一起，他在第一次尝试时就成功了。巴恩斯和他们的同事从一个完整的环和半环开始，然后他们用一些简单的化学方法让半环绕在了全环上，形成了两个环之间的机械结合。而当这种化合物被氧化且失去电子之后，强大的排斥力又会卷土重来。“它们无时无刻不在互相‘憎恨’，”巴恩斯说道，但它们想要再分开已经太迟了，“这就是这个系统的美之所在。”
0 v7 Y$ I9 i: J6 T2 A在接受果壳网采访时，巴恩斯说：“你们可以想象我们首次得到实验结果时的惊喜，这证明我们是对的。事实上，将这样两个环互锁的想法堪称是违背常理的，我们不得不等到获得了这种化合物的结晶体才确信：我们的确成功了！”
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通过机械结合互锁起来的环

值得一提的是，大多数有机自由基的寿命都很短，但是这个全新的自由基化合物在空气和水中都非常稳定。因为化合物的结构将电子卷入了环的内部，所以电子无法与环境里的任何物质反应，同时这种紧密的机械结合也能抵抗静电作用力的干扰。
, l8 Y3 B( Q2 y$ q. L3 w: t这两个互锁的环在仅仅1立方纳米的空间中就能容纳大量的电荷。这种化合物分子拥有6种氧化态，并且每个分子最多可以携带8个电子。
“任何能容纳这么多电子的物质都有发展成为电池的可能，”巴恩斯说道。
“接下来我们需要的是走向应用，”斯托达特赞同道。“现在我们需要花更多的时间来与材料科学家和制造商们一起继续研究，看看这个化合物能做出哪些神奇的东西。”
$ ~' Z: ?* k# ~$ h. d+ \在回答果壳网关于这种新型化合物市场前景的提问时，巴恩斯说：“我们现在已经与韩国科学技术院（KAIST）的Jang Wook Choi 教授展开了合作，致力于制造出用这种新化合物作为电活性物质的新型电池。目前，‘可弯曲屏幕’已经成为了移动设备领域的一大趋势，但想要真正制造出可弯曲的手机和平板电脑，那么其它的部件也必须是可以弯曲的。现有的电池制造业使用的都是刚性的无机材料，亟需利用更加柔性、廉价和环保的有机材料。希望我们的化合物可以在新兴的有机材料储能设备领域有所贡献，因为它的确是一种非常优秀的电子携带者——每个分子可以携带八个电子。”言下之意，用这种有机化合物制作出的电池不仅储能性优秀，而且还可以弯曲。
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乔纳森·巴恩斯本人
关于对这种化合物的下一步研究计划，巴恩斯表示，目前他们的团队正在着力改进这种新型分子的合成工艺，希望能制造出高度聚合态的化合物，让相关设备的生产更加方便。同时，他们也在对这种化合物的电磁特性进行进一步的研究，意图找出其六种氧化态的选择性切换方法，这将在分子记忆和数据存储方面起到相当大的作用。

信息来源：EurekAlert!
8 Y# I6 X5 R8 f1 v: ~文章图片：Jonathan Barnes