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研究背景

膠體晶體是由微米級(jí)膠體顆粒組成的有序結(jié)構(gòu)，在物理、化學(xué)和材料科學(xué)領(lǐng)域中具有廣泛的應(yīng)用前景。然而，由于傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)表征技術(shù)對(duì)于膠體晶體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和動(dòng)態(tài)行為的限制，對(duì)其進(jìn)行準(zhǔn)確觀察和分析一直是一個(gè)挑戰(zhàn)。近年來(lái)，隨著研究者對(duì)膠體晶體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的興趣增加，三維共聚焦顯微鏡等高級(jí)成像技術(shù)的發(fā)展為解決這一難題提供了新的可能性。

膠體晶體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)對(duì)其性質(zhì)和應(yīng)用具有重要影響，但傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)表征方法通常只能提供表面信息，而無(wú)法深入探究其內(nèi)部結(jié)構(gòu)。尤其是在觀察膠體晶體中的缺陷、孿生和動(dòng)態(tài)行為方面存在著挑戰(zhàn)。因此，尋找一種能夠準(zhǔn)確且非破壞性地觀察膠體晶體內(nèi)部結(jié)構(gòu)和動(dòng)態(tài)的方法成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)。

盡管許多科學(xué)家提出了利用高級(jí)成像技術(shù)，如三維共聚焦顯微鏡，來(lái)觀察膠體晶體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和動(dòng)態(tài)行為。然而，現(xiàn)有的挑戰(zhàn)之一是膠體顆粒的折射率與周圍介質(zhì)的折射率之間的差異，這會(huì)導(dǎo)致激光光線在成像過(guò)程中的散射，影響了成像質(zhì)量和準(zhǔn)確性。因此，尋找一種有效的方法來(lái)解決這一挑戰(zhàn)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)膠體晶體的高分辨率、高質(zhì)量的三維成像，成為當(dāng)前研究的迫切需求。

成果簡(jiǎn)介

為了解決這一問(wèn)題，美國(guó)紐約大學(xué)（New York University）Glen M. Hocky & Stefano Sacanna等科學(xué)家提出了利用索引匹配的熒光標(biāo)記的膠體顆粒的方法，通過(guò)將這些顆粒與周圍介質(zhì)的折射率相匹配，從而減少光線的散射，實(shí)現(xiàn)對(duì)膠體晶體的高質(zhì)量三維成像。這種方法在實(shí)驗(yàn)中得到了初步的成功，并為膠體晶體內(nèi)部結(jié)構(gòu)和動(dòng)態(tài)行為的研究提供了新的可能性。以上成果在 Nature Materials上發(fā)題“Enabling three-dimensional real-space analysis of ionic colloidal crystallization”的最新論文。

本研究旨在利用索引匹配的熒光標(biāo)記的膠體顆粒來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)膠體晶體內(nèi)部結(jié)構(gòu)和動(dòng)態(tài)行為的高分辨率、高質(zhì)量的三維成像，以探究膠體晶體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和動(dòng)態(tài)行為。通過(guò)建立一種穩(wěn)健的成像平臺(tái)，結(jié)合先進(jìn)的成像技術(shù)，我們將能夠深入理解膠體晶體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和動(dòng)態(tài)行為，為其在材料科學(xué)、納米技術(shù)等領(lǐng)域的應(yīng)用提供重要的理論和實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。

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資料顯示，三年前，針對(duì)“膠體”材料研究，來(lái)自紐約大學(xué)的Stefano Sacanna教授于2021年以題為“Transmembrane transport in inorganic colloidal cell-mimics”發(fā)表在《Nature》上，引起了不小的關(guān)注！

研究亮點(diǎn)

1.三維結(jié)構(gòu)成像技術(shù)創(chuàng)新：通過(guò)共聚焦顯微鏡技術(shù)和熒光標(biāo)記的膠體顆粒，實(shí)現(xiàn)了對(duì)膠體晶體的三維結(jié)構(gòu)進(jìn)行實(shí)時(shí)成像和分析。這一創(chuàng)新技術(shù)克服了以往只能從外部推斷晶體行為的局限性，為觀察晶體內(nèi)部結(jié)構(gòu)和動(dòng)態(tài)行為提供了全新的視角。

2.離子膠體晶體的內(nèi)部分析：針對(duì)離子膠體晶體的研究，采用了新穎的熒光標(biāo)記和內(nèi)部分析方法，可以精確地觀察和理解晶體內(nèi)部的結(jié)構(gòu)和動(dòng)態(tài)變化。這一方法的開發(fā)填補(bǔ)了對(duì)復(fù)雜晶體內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行實(shí)時(shí)分析的空白。

3.索引匹配膠體系統(tǒng)設(shè)計(jì)：通過(guò)設(shè)計(jì)一種索引匹配的熒光標(biāo)記的膠體顆粒系統(tǒng)，使其與水的折射率幾乎匹配，從而解決了傳統(tǒng)共聚焦顯微鏡技術(shù)中由膠體顆粒散射激光光線引起的問(wèn)題。這一創(chuàng)新設(shè)計(jì)為實(shí)現(xiàn)高分辨率的膠體晶體成像提供了關(guān)鍵技術(shù)支持。

4.膠體晶體的可控制備和調(diào)控：通過(guò)聚合物減弱庫(kù)侖自組裝（PACS）方法，實(shí)現(xiàn)了在水溶液中組裝多組分膠體晶體的通用技術(shù)。利用這一方法可以精確地控制晶體的結(jié)構(gòu)和組裝過(guò)程，為研究晶體的形態(tài)學(xué)和動(dòng)力學(xué)提供了可靠的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

5.對(duì)晶體動(dòng)力學(xué)行為的觀察：利用新開發(fā)的成像技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)晶體動(dòng)力學(xué)行為的實(shí)時(shí)觀察，包括缺陷內(nèi)的重新排列和晶體的熔化等現(xiàn)象。這一觀察結(jié)果為理解晶體的生長(zhǎng)和變形過(guò)程提供了重要線索。

圖文解讀

圖1. 總體策略。

圖2. 二元晶體的組裝和成像。

圖3. 3D晶體重構(gòu)和結(jié)構(gòu)鑒定。

圖4. 單點(diǎn)缺陷。

圖5：Cu₃Au類晶體中的孿晶界分析。

圖 6：類似于Cu₃Au晶體中雙孿生的特征。

總結(jié)展望

本文通過(guò)研究離子膠體晶體的結(jié)構(gòu)和形態(tài)，揭示了多孿晶面內(nèi)部結(jié)構(gòu)的多樣性及其對(duì)晶體宏觀形態(tài)的影響。特別地，針對(duì)Cu₃Au晶體，發(fā)現(xiàn)了平行和非平行孿晶面形成的不同幾何結(jié)構(gòu)，這為解釋晶體的對(duì)稱性提供了新的視角。通過(guò)新穎的成像技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)晶體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的高分辨率成像，有助于理解晶體成核和生長(zhǎng)的機(jī)制。同時(shí)，通過(guò)對(duì)多組分膠體晶體的研究，拓展了對(duì)晶體形態(tài)和動(dòng)力學(xué)行為的認(rèn)識(shí)。這一研究為理解離子固體的結(jié)晶過(guò)程提供了重要線索，有望推動(dòng)材料發(fā)現(xiàn)和晶體工程的進(jìn)一步發(fā)展。

文獻(xiàn)信息

Zang, S., Hauser, A.W., Paul, S. et al. Enabling three-dimensional real-space analysis of ionic colloidal crystallization. Nat. Mater. (2024). https://doi.org/10.1038/s41563-024-01917-w

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