科學家們發現了一種觀察晶體內部的新方法

一種生成單個晶體3D模型的新技術為科學家打開了一扇窗，讓他們可以看到它們原本完美的圖案中出現的細微偏差。

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

X射線的短波長與構成晶體的許多重復單元的大小大致相同，長期以來，科學家可以通過測量射線衍射的角度來推斷晶體的成分如何組合在一起。

然而，盡管X射線晶體學具有獨創性，但它也有其局限性，發表在《X射線晶體學》上的一篇新論文的開頭一句話對此進行了相當巧妙的總結。自然材料本月：“分子晶體的結構是使用散射技術識別的，因為我們看不到它們的內部。

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

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

研究這種晶體可以促進對晶體動力學的理解。研究人員引用了膠體結構的實驗，這些實驗揭示了編隊和演化晶體結構內的位錯。

與X射線晶體學一樣，這種技術也有局限性。很難找到對相對復雜的膠體晶體進行成像的可靠方法，這意味著到目前為止，他們的研究主要局限于由單個組成顆粒形成的薄而簡單的結構。

相比之下，許多原子級晶體由兩種或多種元素組成，并形成復雜的三維結構。

紐約大學團隊開創的新技術有望研究這些相對復雜的晶格的膠體類似物。該技術建立在該團隊以前的一些工作的基礎上，他們開發了一種稱為“聚合物衰減庫侖自組裝”（PACS）的工藝。

PACS使用單個膠體顆粒的電荷將它們吸引到晶格中，從而可以可靠地構建二元膠體晶體 - 形成的晶體由兩種不同種類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。

這項新研究證明了用熒光染料接種這些單個膠體顆粒以區分一種物質與另一種物質的有效性 - 并且至關重要的是，一旦它們形成晶體，就會繼續這樣做。這意味著，科學家終于可以“觀察”一個完全形成的晶體內部，并直接觀察其內部。

作為研究人員報告，“我們能夠區分二元離子晶體中的所有粒子，并重建完整的內部3D結構，深度可達~200層。

紐約大學團隊報告了他們已經從觀察中收集到的幾項新發現。

被稱為“孿晶”的過程，即兩個晶體的晶格以這樣一種方式排列，即它們沿著一個共同的平面共享組件，長期以來一直引起科學家的興趣。

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

在每種情況下，該團隊都能夠直接觀察孿晶體的演化，從而為這種結構如何產生提供直接的實驗觀察。

“這種直接觀察明確地揭示了晶體結構的內部復雜性，闡明了粒子相互作用與宏觀晶體形式之間的關系，包括缺陷和孿晶的出現和影響，”研究人員說報告.

該小組期待著揭開晶體的奧秘，在X射線的發現讓人類首次了解晶體結構的復雜性100多年后。

該研究已發表在自然材料.

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