“碘遇淀粉变蓝”你小学就知道，可这是什么原理？

把碘液滴加到淀粉当中，它们立刻就会形成墨水般的蓝黑色——自从1814年次被记录以来，这个经典的显色反应已经不知道在课堂和实验室里出现了多少次。单是这样一个简单的操作，就足以带来很多乐趣：碘可以滴到土豆上、滴到种子上，滴到经过处理的叶片上来发现光合作用的产物，或者用来鉴别唾液淀粉酶是否已经将淀粉消化……

图片来自：fineartamerica.com

然而，碘遇到淀粉为什么会变出蓝色呢？如果随手查找，大抵会发现这样的解释：碘和直链淀粉形成了“包合物”，从而显现出蓝色。还有些解释看起来更加详细，会说到直链淀粉螺旋卷曲，围出了一个“圆筒”，而碘分子则填充在里面。不过，这似乎还是有点难以想象——碘和淀粉形成的包合物，到底是个什么结构？

这个问题听起来早已不新鲜，但其中的细节在很长一段时间里都是个未解之谜。而就在前段时间，一项研究无意之中为我们提供了更多答案。

图片来自：SONIA FERNANDEZ

碘原子“珠链”

研究者认为，在淀粉与碘的蓝色复合物中，碘单质不再以普通的分子形式存在，它们一个接一个地连接在一起，在复合物骨架中组成了一条条近乎直线的长链。

而这种结构特点，其实是在研究另外一种吡咯并苝-碘复合物时发现的。研究者们成功得到了这种物质的针状单晶。而得到结晶，也就意味着可以用X射线衍射法进行检测，这样一来，其中的空间结构就容易确定了。

X射线衍射的结果显示，在这些复合物中，碘原子“排排坐”的方式相当特别：“碘原子”以近似直线的形式，排排坐在吡咯并苝“盘子”堆成的骨架旁边，构成了一维无限长链。就像下图中这样：

吡咯并苝-碘的晶体结构

晶体结构数据显示，长链中的碘原子间距在0.3054~0.3174 纳米不等，而在碘分子中，两个碘原子之间的距离要短得多（只有0.270 nm）。这个差距足以证明，在复合物的碘原子长链中并没有独立的碘分子。在长链中，从周期变化的碘原子间距可以看出，每15个碘原子构成了一个小单元。

那么，这些结论如何与“淀粉-碘”复合物挂钩呢？拉曼光谱提供了非常特征性的证据。研究者们将他们的数据与过去淀粉-碘复合物的光谱数据进行了对比，结果发现，二者有很好的吻合度。这就间接确定，当淀粉与碘结合时，也产生了类似的长链结构。

寻找更好的光伏材料

知道了更多碘与淀粉结合的细节，人们可以把它写进教科书，满足更多人的好奇心，除此以外呢？其实，研究者们真正的目的是对有机半导体材料进行改进。

苝-碘复合物是一类有机半导体材料，从上世纪60年代起，它就进入了研究者们的视线。但是，其结构的不确定性影响了进一步的应用。而这一次，研究者在原有材料的基础上进行了一些改造，制造出了吡咯并苝-碘复合物， 成功确定了这种复合物的内部结构，并对导电性、相变温度等等性质进行了测定。这些信息都将帮助科学家们继续改进材料的性质。

光学显微镜下吡咯并苝-碘复合物的晶体图像

对于领导这项研究的赛沙德利（Seshadri）教授和伍德（Wudl）教授而言，找到种能够结晶的非金属原子聚合物长链，这本身就充满了乐趣。而且，这样一种新的结构说不定也会为材料带来新的性质和应用。而在这个过程中，一个200年历史的疑团也得以进一步解开。