研究人员有史以来第一次看到了纳米颗粒自组装成固体材料的迷人过程。在这些令人惊叹的新视频中，粒子如雨点般落下，沿着台阶翻滚，四处滑动，最后落到合适的位置，形成晶体标志性的堆叠层。

由西北大学和伊利诺伊大学香槟分校领导的研究小组表示，这些新的见解可以用于设计新材料，包括用于电子应用的薄膜。

这项研究今天(3月30日)发表在《自然纳米技术》杂志上。

研究人员将其描述为“实验杰作”，该研究使用了一种新的优化形式的液相透射电子显微镜(TEM)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观察晶体晶格中的单层原子。但他们无法观察原子单独移动到某个位置。

西北大学的Erik Luijten领导了解释观测结果的理论和计算工作，他说:“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。”“现在我们看到它就在我们眼前聚集在一起。通过观察纳米颗粒，我们观察的是比原子大，但比胶体小的粒子。所以，我们已经完成了长度尺度的整个谱。我们正在填补缺失的长度。”

“此前，我们的团队解决了成核之谜，即由数十个纳米颗粒组成的晶体胚胎是如何形成的，这遵循了溶液中的非经典途径，”伊利诺伊州的陈谦(Qian Chen)说，他领导了这项实验工作。“随着液相TEM和数据科学的最新进展，在这项工作中，我们现在能够捕捉和跟踪数千个纳米颗粒随着时间的推移的运动。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(McCormick School of engineering)的材料科学与工程教授，同时也是该校副院长。陈是伊利诺斯州材料科学与工程的副教授。

我不敢相信我们真的能看到这个。我们以前从来没有看到过实际的增长过程，只看到过结果。”
Erik Luijten

材料科学家

大多数人都熟悉盐晶体、糖晶体、雪花晶体和闪闪发光的宝石，比如钻石。尽管结晶是一种普遍存在的现象，但晶体究竟是如何形成的仍然是一个谜。构成晶体材料的积木——原子、分子或离子——高度有序，形成了等距积木的格子。然后这些晶格相互叠加，形成三维固体材料。

Luijten说:“原子的有序排列是晶体表面光滑平整的原因。”“这就是为什么它们沿直线边缘断裂。”

到目前为止，研究人员通过研究更大的胶体颗粒来研究结晶。但是观察胶体自我排列成晶体并不能让我们深入了解原子的行为。虽然晶体具有平坦、均匀的表面，但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，所以它们在结晶时遵循相同的步骤是值得怀疑的，”Luijten说。“所以，它们并没有告诉我们原子是做什么的。胶体与原子的类比并不成立。”

为了更深入地了解结晶过程，Luijten、Chen和他们的团队转向了纳米颗粒。最近改进液相透射电镜的进展使实时观察纳米颗粒形成固体材料成为可能。Chen的团队花了数年时间优化这一过程，以确保电子束可以在不损坏粒子的情况下观察到粒子。在这项新研究中，研究人员使用了不同形状的纳米颗粒——立方体、球体和缩进的立方体——来探索形状如何影响行为。

研究人员首先用先进的计算机模拟可视化了晶体的形成，这些模拟是由西北大学研究生王紫薇和加勒特·沃森以及博士后蒂娜·柯克完成的。然后他们用液相透射电镜进行实验，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，为了形成一层一层的晶体结构，粒子首先形成水平层，然后垂直堆叠。有时，粒子在相互粘在一起后，会短暂分离，落到下面的一层上。

Luijten说:“他们一路跑着，在坠落前在悬崖边犹豫了一下。”“这就像一个潜水员在跳板边上犹豫不决。真不敢相信我们能看到这个。我们以前从来没有看到过实际的增长过程，只看到过结果。”

Luijten说，这些信息将帮助工程师设计新材料。这一发现尤其有助于薄膜材料的设计，薄膜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。

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

这项名为“解开纳米颗粒晶体生长”的研究得到了美国能源部(奖励编号DE-SC0020723和DE-SC0020885)和美国国家科学基金会(奖励编号DGE-1842165)的支持。

注：本文由院校官方新闻直译，仅供参考，不代表指南者留学态度观点。