<p>研究人員有史以來第一次看到了納米顆粒自組裝成固體材料的迷人過程。在這些令人驚嘆的新視頻中，粒子如雨點般落下，沿著臺階翻滾，四處滑動，最后落到合適的位置，形成晶體標志性的堆疊層。</p> <p>&nbsp;</p> <p>由西北大學和伊利諾伊大學香檳分校領(lǐng)導的研究小組表示，這些新的見解可以用于設(shè)計新材料，包括用于電子應用的薄膜。</p> <p>&nbsp;</p> <p>這項研究今天(3月30日)發(fā)表在《自然納米技術(shù)》雜志上。</p> <p>&nbsp;</p> <p>研究人員將其描述為&ldquo;實驗杰作&rdquo;，該研究使用了一種新的優(yōu)化形式的液相透射電子顯微鏡(TEM)來獲得對自組裝過程的前所未有的見解。在這項工作之前，研究人員使用顯微鏡觀察微米大小的膠體&mdash;&mdash;比納米顆粒大10到100倍&mdash;&mdash;自組裝成晶體。他們還使用x射線晶體學或電子顯微鏡來觀察晶體晶格中的單層原子。但他們無法觀察原子單獨移動到某個位置。</p> <p>&nbsp;</p> <p>西北大學的Erik Luijten領(lǐng)導了解釋觀測結(jié)果的理論和計算工作，他說:&ldquo;我們知道原子使用類似的方案組裝成晶體，但我們從未見過實際的生長過程。&rdquo;&ldquo;現(xiàn)在我們看到它就在我們眼前聚集在一起。通過觀察納米顆粒，我們觀察的是比原子大，但比膠體小的粒子。所以，我們已經(jīng)完成了長度尺度的整個譜。我們正在填補缺失的長度。&rdquo;</p> <p>&nbsp;</p> <p>&ldquo;此前，我們的團隊解決了成核之謎，即由數(shù)十個納米顆粒組成的晶體胚胎是如何形成的，這遵循了溶液中的非經(jīng)典途徑，&rdquo;伊利諾伊州的陳謙(Qian Chen)說，他領(lǐng)導了這項實驗工作。&ldquo;隨著液相TEM和數(shù)據(jù)科學的最新進展，在這項工作中，我們現(xiàn)在能夠捕捉和跟蹤數(shù)千個納米顆粒隨著時間的推移的運動。這些納米顆粒在溶液中擺動，并生長成各種形態(tài)的晶體，如多面體或婚禮蛋糕。&rdquo;</p> <p>&nbsp;</p> <p>Luijten是西北大學麥考密克工程學院(McCormick School of engineering)的材料科學與工程教授，同時也是該校副院長。陳是伊利諾斯州材料科學與工程的副教授。</p> <p>&nbsp;</p> <p>我不敢相信我們真的能看到這個。我們以前從來沒有看到過實際的增長過程，只看到過結(jié)果。&rdquo;<br />Erik Luijten</p> <p><br />材料科學家</p> <p><br />大多數(shù)人都熟悉鹽晶體、糖晶體、雪花晶體和閃閃發(fā)光的寶石，比如鉆石。盡管結(jié)晶是一種普遍存在的現(xiàn)象，但晶體究竟是如何形成的仍然是一個謎。構(gòu)成晶體材料的積木&mdash;&mdash;原子、分子或離子&mdash;&mdash;高度有序，形成了等距積木的格子。然后這些晶格相互疊加，形成三維固體材料。</p> <p>&nbsp;</p> <p>Luijten說:&ldquo;原子的有序排列是晶體表面光滑平整的原因。&rdquo;&ldquo;這就是為什么它們沿直線邊緣斷裂。&rdquo;</p> <p>&nbsp;</p> <p>到目前為止，研究人員通過研究更大的膠體顆粒來研究結(jié)晶。但是觀察膠體自我排列成晶體并不能讓我們深入了解原子的行為。雖然晶體具有平坦、均勻的表面，但由微米級膠體制成的晶體結(jié)構(gòu)往往采用不均勻、粗糙的表面。</p> <p>&nbsp;</p> <p>&ldquo;膠體比原子大得多，所以它們在結(jié)晶時遵循相同的步驟是值得懷疑的，&rdquo;Luijten說。&ldquo;所以，它們并沒有告訴我們原子是做什么的。膠體與原子的類比并不成立。&rdquo;</p> <p>&nbsp;</p> <p>為了更深入地了解結(jié)晶過程，Luijten、Chen和他們的團隊轉(zhuǎn)向了納米顆粒。最近改進液相透射電鏡的進展使實時觀察納米顆粒形成固體材料成為可能。Chen的團隊花了數(shù)年時間優(yōu)化這一過程，以確保電子束可以在不損壞粒子的情況下觀察到粒子。在這項新研究中，研究人員使用了不同形狀的納米顆粒&mdash;&mdash;立方體、球體和縮進的立方體&mdash;&mdash;來探索形狀如何影響行為。</p> <p>&nbsp;</p> <p>研究人員首先用先進的計算機模擬可視化了晶體的形成，這些模擬是由西北大學研究生王紫薇和加勒特&middot;沃森以及博士后蒂娜&middot;柯克完成的。然后他們用液相透射電鏡進行實驗，實時觀察納米顆粒的自組裝。在實驗中，研究人員注意到粒子相互碰撞，粘在一起形成層。然后，為了形成一層一層的晶體結(jié)構(gòu)，粒子首先形成水平層，然后垂直堆疊。有時，粒子在相互粘在一起后，會短暫分離，落到下面的一層上。</p> <p>&nbsp;</p> <p>Luijten說:&ldquo;他們一路跑著，在墜落前在懸崖邊猶豫了一下。&rdquo;&ldquo;這就像一個潛水員在跳板邊上猶豫不決。真不敢相信我們能看到這個。我們以前從來沒有看到過實際的增長過程，只看到過結(jié)果。&rdquo;</p> <p>&nbsp;</p> <p>Luijten說，這些信息將幫助工程師設(shè)計新材料。這一發(fā)現(xiàn)尤其有助于薄膜材料的設(shè)計，薄膜材料通常用于制造柔性電子產(chǎn)品、發(fā)光二極管、晶體管和太陽能電池。</p> <p>&nbsp;</p> <p>Luijten說:&ldquo;了解粒子是如何聚集在一起的，將使我們能夠控制表面的形狀。&rdquo;&ldquo;你想要平坦的還是粗糙的表面?&rdquo;改變顆粒形狀或顆粒下落的速度會影響表面。&rdquo;</p> <p>&nbsp;</p> <p>這項名為&ldquo;解開納米顆粒晶體生長&rdquo;的研究得到了美國能源部(獎勵編號DE-SC0020723和DE-SC0020885)和美國國家科學基金會(獎勵編號DGE-1842165)的支持。</p> <p>&nbsp;</p> <blockquote> <p>注：本文由院校官方新聞直譯，僅供參考，不代表指南者留學態(tài)度觀點。</p> </blockquote>