科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)了一種觀察晶體內(nèi)部的新方法

一種生成單個(gè)晶體3D模型的新技術(shù)為科學(xué)家打開(kāi)了一扇窗，讓他們可以看到它們?cè)就昝赖膱D案中出現(xiàn)的細(xì)微偏差。

紐約大學(xué)（NYU）的研究人員回到了繪圖板，研究如何深入觀察由重復(fù)單元組成的固體內(nèi)部，并確定它們是如何生長(zhǎng)的。

X射線的短波長(zhǎng)與構(gòu)成晶體的許多重復(fù)單元的大小大致相同，長(zhǎng)期以來(lái)，科學(xué)家可以通過(guò)測(cè)量射線衍射的角度來(lái)推斷晶體的成分如何組合在一起。

然而，盡管X射線晶體學(xué)具有獨(dú)創(chuàng)性，但它也有其局限性，發(fā)表在《X射線晶體學(xué)》上的一篇新論文的開(kāi)頭一句話對(duì)此進(jìn)行了相當(dāng)巧妙的總結(jié)。自然材料本月：“分子晶體的結(jié)構(gòu)是使用散射技術(shù)識(shí)別的，因?yàn)槲覀兛床坏剿鼈兊膬?nèi)部。

這篇論文描述了一種新技術(shù)，有望最終改變這一事實(shí)——盡管不是由單個(gè)原子的重復(fù)單元組成的晶體。

相反，它涉及由基于以下膠體顆粒，它們足夠大，可以在常規(guī)顯微鏡下看到，并以原子不可能的方式進(jìn)行操作。

研究這種晶體可以促進(jìn)對(duì)晶體動(dòng)力學(xué)的理解。研究人員引用了膠體結(jié)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)，這些實(shí)驗(yàn)揭示了編隊(duì)和演化晶體結(jié)構(gòu)內(nèi)的位錯(cuò)。

與X射線晶體學(xué)一樣，這種技術(shù)也有局限性。很難找到對(duì)相對(duì)復(fù)雜的膠體晶體進(jìn)行成像的可靠方法，這意味著到目前為止，他們的研究主要局限于由單個(gè)組成顆粒形成的薄而簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)。

相比之下，許多原子級(jí)晶體由兩種或多種元素組成，并形成復(fù)雜的三維結(jié)構(gòu)。

紐約大學(xué)團(tuán)隊(duì)開(kāi)創(chuàng)的新技術(shù)有望研究這些相對(duì)復(fù)雜的晶格的膠體類(lèi)似物。該技術(shù)建立在該團(tuán)隊(duì)以前的一些工作的基礎(chǔ)上，他們開(kāi)發(fā)了一種稱(chēng)為“聚合物衰減庫(kù)侖自組裝”（PACS）的工藝。

PACS使用單個(gè)膠體顆粒的電荷將它們吸引到晶格中，從而可以可靠地構(gòu)建二元膠體晶體 - 形成的晶體由兩種不同種類(lèi)的粒子組成的分子以同樣的方式，例如，食鹽的晶體是由鈉和氯形成的。

這項(xiàng)新研究證明了用熒光染料接種這些單個(gè)膠體顆粒以區(qū)分一種物質(zhì)與另一種物質(zhì)的有效性 - 并且至關(guān)重要的是，一旦它們形成晶體，就會(huì)繼續(xù)這樣做。這意味著，科學(xué)家終于可以“觀察”一個(gè)完全形成的晶體內(nèi)部，并直接觀察其內(nèi)部。

作為研究人員報(bào)告，“我們能夠區(qū)分二元離子晶體中的所有粒子，并重建完整的內(nèi)部3D結(jié)構(gòu)，深度可達(dá)~200層。

紐約大學(xué)團(tuán)隊(duì)報(bào)告了他們已經(jīng)從觀察中收集到的幾項(xiàng)新發(fā)現(xiàn)。

被稱(chēng)為“孿晶”的過(guò)程，即兩個(gè)晶體的晶格以這樣一種方式排列，即它們沿著一個(gè)共同的平面共享組件，長(zhǎng)期以來(lái)一直引起科學(xué)家的興趣。

研究人員描述了創(chuàng)造膠體晶體，這些晶體再現(xiàn)了幾種不同礦物的原子級(jí)立方結(jié)構(gòu)：上述形成食鹽的鈉和氯的交替晶格;氯化銫，其中八個(gè)氯原子圍繞單個(gè)銫原子形成一個(gè)“籠子”;還有一個(gè)更奇特的例子，即銅和金的化合物，其中金原子的立方晶格的每個(gè)面都點(diǎn)綴著一個(gè)銅原子，就像一個(gè)骰子，每個(gè)面都是一個(gè)。

在每種情況下，該團(tuán)隊(duì)都能夠直接觀察孿晶體的演化，從而為這種結(jié)構(gòu)如何產(chǎn)生提供直接的實(shí)驗(yàn)觀察。

“這種直接觀察明確地揭示了晶體結(jié)構(gòu)的內(nèi)部復(fù)雜性，闡明了粒子相互作用與宏觀晶體形式之間的關(guān)系，包括缺陷和孿晶的出現(xiàn)和影響，”研究人員說(shuō)報(bào)告.

該小組期待著揭開(kāi)晶體的奧秘，在X射線的發(fā)現(xiàn)讓人類(lèi)首次了解晶體結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性100多年后。

該研究已發(fā)表在自然材料.

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