科学家们发现了一种观察晶体内部的新方法

一种生成单个晶体3D模型的新技术为科学家打开了一扇窗,让他们可以看到它们原本完美的图案中出现的细微偏差。

纽约大学(NYU)的研究人员回到了绘图板,研究如何深入观察由重复单元组成的固体内部,并确定它们是如何生长的。

X射线的短波长与构成晶体的许多重复单元的大小大致相同,长期以来,科学家可以通过测量射线衍射的角度来推断晶体的成分如何组合在一起。

然而,尽管X射线晶体学具有独创性,但它也有其局限性,发表在《X射线晶体学》上的一篇新论文的开头一句话对此进行了相当巧妙的总结。自然材料本月:“分子晶体的结构是使用散射技术识别的,因为我们看不到它们的内部。

这篇论文描述了一种新技术,有望最终改变这一事实——尽管不是由单个原子的重复单元组成的晶体。

相反,它涉及由基于以下胶体颗粒,它们足够大,可以在常规显微镜下看到,并以原子不可能的方式进行操作。

研究这种晶体可以促进对晶体动力学的理解。研究人员引用了胶体结构的实验,这些实验揭示了编队演化晶体结构内的位错。

与X射线晶体学一样,这种技术也有局限性。很难找到对相对复杂的胶体晶体进行成像的可靠方法,这意味着到目前为止,他们的研究主要局限于由单个组成颗粒形成的薄而简单的结构。

相比之下,许多原子级晶体由两种或多种元素组成,并形成复杂的三维结构。

纽约大学团队开创的新技术有望研究这些相对复杂的晶格的胶体类似物。该技术建立在该团队以前的一些工作的基础上,他们开发了一种称为“聚合物衰减库仑自组装”(PACS)的工艺。

PACS使用单个胶体颗粒的电荷将它们吸引到晶格中,从而可以可靠地构建二元胶体晶体 - 形成的晶体由两种不同种类的粒子组成的分子以同样的方式,例如,食盐的晶体是由钠和氯形成的。

这项新研究证明了用荧光染料接种这些单个胶体颗粒以区分一种物质与另一种物质的有效性 - 并且至关重要的是,一旦它们形成晶体,就会继续这样做。这意味着,科学家终于可以“观察”一个完全形成的晶体内部,并直接观察其内部。

作为研究人员报告,“我们能够区分二元离子晶体中的所有粒子,并重建完整的内部3D结构,深度可达~200层。

纽约大学团队报告了他们已经从观察中收集到的几项新发现。

被称为“孪晶”的过程,即两个晶体的晶格以这样一种方式排列,即它们沿着一个共同的平面共享组件,长期以来一直引起科学家的兴趣。

研究人员描述了创造胶体晶体,这些晶体再现了几种不同矿物的原子级立方结构:上述形成食盐的钠和氯的交替晶格;氯化铯,其中八个氯原子围绕单个铯原子形成一个“笼子”;还有一个更奇特的例子,即铜和金的化合物,其中金原子的立方晶格的每个面都点缀着一个铜原子,就像一个骰子,每个面都是一个。

在每种情况下,该团队都能够直接观察孪晶体的演化,从而为这种结构如何产生提供直接的实验观察。

“这种直接观察明确地揭示了晶体结构的内部复杂性,阐明了粒子相互作用与宏观晶体形式之间的关系,包括缺陷和孪晶的出现和影响,”研究人员说报告.

该小组期待着揭开晶体的奥秘,在X射线的发现让人类首次了解晶体结构的复杂性100多年后。

该研究已发表在自然材料.

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