实现离子胶体结晶的三维实时分析
实时三维分析离子胶体结晶
背景与动机
在分子晶体研究中，结构通常通过散射技术来识别，因为我们无法直接观察内部结构。微米级别的胶体粒子由于其较大的体积，使得我们能够通过光学显微镜实时观察其结晶过程，然而，实践中这一过程仍然受到缺乏“X射线视野”的限制。为了解决这一问题，研究者们开发了一种折射率匹配的荧光标记胶体粒子系统，在水溶液中演示了离子晶体的稳定形成，并证明了其结构可以通过大小比和盐浓度进行控制。
研究来源
该研究由纽约大学（New York University）化学系的Shihao Zang、Adam W. Hauser、Sanjib Paul、Glen M. Hocky和Stefano Sacanna进行，并于2024年在《Nature Materials》期刊上发表。该论文的DOI为：https://doi.org/10.1038/s41563-024-01917-w。
研究流程
1. 胶体粒子的合成和标记
研究团队首先设计并开发了一种合成正、负电荷胶体粒子的合成方法，采用不含表面活性剂的乳液聚合，并通过使用不同的引发剂来确保粒子的单分散性和稳定性。正电荷粒子的合成使用了2,2′-azobis(2-methylpropionamidine) dihydrochloride (AIBA)引发剂，并使用含有季铵盐的共聚单体来稳定正电荷。负电荷粒子则使用过硫酸钾（KPS）引发剂。通过对这些粒子进行荧光标记，使得其在三维共聚显微镜（CLSM）中能够清晰识别。
2. 离子胶体晶体的组装和成像
研究采用了PACs方法（聚合物减弱的库仑自组装法），在水中组装多组分胶体晶体，并利用共聚显微镜成像。通过调整粒子大小比和盐浓度，能够形成具有不同结构的晶体，如CsCl结构和Cu3Au结构。特别地，使用了近折射率匹配的胶体粒子体系（如PFpMA），在40%二甲基亚砜（DMSO）的溶液中，使得粒子系统在CLSM中几乎透明，从而消除了激光散射问题。
3. 三维重建与晶体结构识别
通过CLSM获取的Z轴扫描数据，利用Trackpy软件包进行三维重构并总结粒子坐标。最终将模拟的X射线衍射图谱与实验和模拟结果进行对比，确认了晶体结构。
主要研究结果
粒子的三维定位和晶体结构识别：利用CLSM和Trackpy软件包，实现了对胶体粒子位置的精确定位，并重构了三维内部结构。通过模拟生成X射线衍射图谱，确认了胶体晶体的具体结构类型。
缺陷动态分析：研究能够观察到晶体内部缺陷的动态变化，如空位和反位缺陷，并通过三维动态跟踪揭示这些缺陷在晶体熔化过程中保持静止或移动的行为。
晶体孪生结构的分析：通过CLSM数据和三维重构，研究团队能够识别出晶体内部的孪生晶界，并能通过模拟了解这些孪生结构如何影响晶体的宏观形态。
研究结论与价值
该研究展示了利用折射率匹配的带荧光标记胶体粒子，通过三维共聚显微镜（CLSM）实现了对离子胶体晶体的三维实时分析。研究揭示了胶体晶体内部复杂的结构和动态缺陷，进一步为理解实际晶体中的缺陷、晶体熔解过程、以及晶体结构的孪生机制提供了新的视角。
该技术的应用不仅限于现有的胶体模型体系，还可以拓展到更广泛的离子固体和复杂结构的研究中，为材料科学领域特别是在探索新型功能材料方面提供了强大的工具。此外，通过开发更精确的具有低折射率的核-壳胶体粒子，未来有望进一步提高粒子跟踪的精度，从而促进对结晶过程的热力学和动力学控制参数的深入研究。
研究亮点
新颖的折射率匹配胶体粒子体系：通过合成新型近折射率匹配的正负电荷胶体粒子，解决了传统光学显微镜中激光散射的问题。
实时动态三维成像：首次实现了离子胶体晶体内部实时动态三维成像，揭示了晶体内部缺陷的形成和运动机制。
多种晶体结构的精确识别：通过模拟X射线衍射图谱，实验上不仅识别了CsCl和Cu3Au类型的晶体结构，还对未曾报道过的晶体进行了识别。
对实际应用的推动：研究方法在材料科学领域具有广泛的应用潜力，特别是在设计新型光电材料和理解晶体生长机制方面。
本研究不仅填补了三维胶体晶体内部结构和动态研究的空白，还提供了一种全新的工具和方法论，推动了胶体科学和材料研究的进一步发展。