首次实时瞥见纳米粒子自组装成晶体

有史以来第一次，研究人员看到了纳米颗粒自组装成固体材料的迷人过程。在令人惊叹的新视频中，粒子如雨点般落下，沿着楼梯台阶翻滚并滑动，最后卡入到位，形成水晶标志性的堆叠层。

由西北大学和伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校领导的研究小组表示，这些新见解可用于设计新材料，包括用于电子应用的薄膜。

这项研究将于30月<>日发表在《自然纳米技术》杂志上。

该研究被研究人员描述为“实验之旅”，使用新优化的液相透射电子显微镜(TEM)形式来获得对自组装过程的前所未有的见解。在这项工作之前，研究人员已经使用显微镜观察微米大小的胶体 - 比纳米颗粒大10到100倍 - 自组装成晶体。他们还使用X射线晶体学或电子显微镜来可视化晶格中的单层原子。但他们无法看到原子单独移动到位。

“我们知道原子使用类似的方案组装成晶体，但我们从未见过实际的生长过程，”西北大学的Erik Luijten说，他领导了理论和计算工作来解释这些观察结果。“现在我们看到它就在我们眼前聚集在一起。通过观察纳米粒子，我们正在观察比原子大但比胶体小的粒子。因此，我们已经完成了长度尺度的整个范围。我们正在填补缺失的长度。

“以前，我们的团队解决了成核的奥秘，即由数十个纳米颗粒组成的晶体胚胎是如何形成的，这遵循非经典的溶液途径，”领导实验工作的伊利诺伊州钱陈说。“随着液相TEM和数据科学的最新进展，在这项工作中，我们现在能够捕获和跟踪数千个纳米粒子随时间推移的运动。这些纳米颗粒在溶液中摆动并生长成各种形态的晶体，如多面体或婚礼蛋糕。

Luijten是西北大学麦考密克工程学院的材料科学与工程教授，也是该学院的副院长。Chen是伊利诺伊州材料科学与工程副教授。

大多数人都熟悉盐、糖、雪花和闪闪发光的宝石(如钻石)形式的晶体。虽然结晶是一种无处不在的现象，但晶体究竟是如何形成的仍然是一个谜。构成晶体材料的构建块(原子、分子或离子)是高度有序的，形成等间距构建块的晶格。然后这些晶格相互堆叠以形成三维固体材料。

“原子堆叠成规则排列是晶体具有光滑，平坦表面的原因，”Luijten说。“这就是为什么它们沿着直边断裂的原因。

到目前为止，研究人员已经通过检查称为胶体的更大颗粒来研究结晶。但是观察胶体自排列成晶体并不能深入了解原子的行为。晶体具有平坦、均匀的表面，而由微米级胶体制成的晶体结构往往采用不均匀、粗糙的表面。

“胶体比原子大得多，以至于它们在结晶时遵循相同的步骤是值得怀疑的，”Luijten说。“所以，他们没有教我们原子的作用。胶体与原子的类比并不真正成立。

为了更深入地了解结晶过程，Luijten，Chen和他们的团队转向纳米颗粒。改进液相透射电镜的最新进展使得在纳米颗粒形成固体材料时实时观察它们成为可能。Chen的团队花了数年时间优化该过程，以确保电子束可以在不损坏粒子的情况下观察粒子。在这项新研究中，研究人员使用不同形状的纳米颗粒 - 立方体，球体和缩进立方体 - 来探索形状如何影响行为。

研究人员首先通过先进的计算机模拟可视化晶体形成，这些模拟由西北大学研究生Ziwei Wang和Garrett Watson以及博士后研究员Tine Curk进行。然后，他们用液相透射电镜进行了实验，以实时观察纳米颗粒的自组装。在实验中，研究人员注意到粒子相互碰撞，粘在一起形成层。然后，为了形成逐层晶体结构，颗粒首先形成水平层，然后垂直堆叠。有时，在相互粘附后，粒子会短暂分离，落到下面的一层上。

“他们跑着跑，然后在跌倒之前在边缘犹豫不决，”Luijten说。“这就像一个潜水员在跳水板的边缘犹豫不决。我不敢相信我们真的能看到这一点。我们以前从未见过实际的增长过程，只有结果。

Luijten说，这些信息将有助于工程师设计新材料。这些见解特别有助于薄膜材料的设计，这些材料通常用于制造柔性电子产品，发光二极管，晶体管和太阳能电池。

“了解粒子如何聚集在一起将使我们能够控制表面的形状，”Luijten说。“你想要平坦还是粗糙的表面?改变颗粒形状或颗粒下落的速度会影响表面。

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