你想看看膠體晶體是如何「神秘」自組裝的嗎？

科技 03-31

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材料牛註：Tisdale等組成的研究團隊發現通過使用含重金屬(鉛)的膠體晶體以及足夠的亮度同步X射線源，可以以足夠快的速度收集自組裝的數據，這樣就可以對晶體自組裝的過程進行實時的觀察，並能夠輸出直觀的圖片以及過程的動態效果圖，從而揭示膠體晶體自組裝的秘密。

在我們對膠體的印象中，激光可以在膠體中形成明顯的光路，但除此之外這些懸浮在溶液中的膠體顆粒，並非靜止不動而是一直變換著，或是滿滿的如水泥般充實，或是美麗如少女衣衫蕾絲網格，或是轉瞬成為超晶格結構，這莫測的變換幾十年來一直迷惑著無數的科學研究者，然而這隱藏已久的膠體晶體自組裝結構秘密將要被揭曉了。

膠體晶體中微小的超晶格，也稱為量子點，不單自身具有很鮮艷的色彩，而且被用於創造更多生動的顯示屏以及光學感測設備的陣列。研究量子點如何進行變換，有可能在任何事物的表面做成一個智能屏幕或能源鉸鏈。

對膠體晶體結構的自組裝過程原位觀測，需要結合控制溶劑蒸發和同步加速器X射線散射這些技術。其中觀測的研究結果發布在《Nature Materials》雜誌上的一篇論文中（作者包括麻省理工學院化學工程系William A. Tisdale教授和研究生助理Mark C. Weidman，以及Cornell High Energy Synchrotron Source的Detlef-M. Smilgies）。研究人員預測他們的新發現將會直接影響超晶格的生成。

量子點的「迪斯科」（即量子點的變換）

Tisdale和他的同事們的研究團隊主要研究表面塗有有機分子的半導體膠體晶體，這種處理過的膠體晶體能夠形成可溶液加工的電子材料，目前這種電子材料涉及到生活中方方面面的電子產品。由於此類材料低成本，簡單的製造特點，他們這個團隊期望將其製作成為高效的太陽能電池和其他能量轉換設備。

目前來看將這些膠體晶體轉換成其他能量在技術上還是存在壁壘的，這主要還是由於缺乏他們是如何進行自組裝的相關知識，即不知曉他們是如何從膠體粒子(如懸浮在液體小塑料球)變換到超晶格結構(圖片中乾燥、包裝、和整齊排列的同等大小的球)的。

隨著技術的不斷進步，電子顯微鏡以及動態光散射技術的運用，使得對膠體狀態的觀察從發現某些方面開始，到發現超晶格結構為止，研究人員並沒有發現這兩個狀態之間有何關係。

「在過去10到15年，在製備異常美麗的膠體晶體結構方面已經取得了很大的進展,」Tisdale說。「然而，關於他們如何組裝成現有的各種形態仍然有很多爭議。它究竟是配體熵還是膠體晶體的面？實時觀看整個自組織展開過程得到的深度信息可以幫助回答這些問題。」

秘技

為了觀測到上面納米級的變換過程，Tisdale的研究生和合著者Mark Weidman利用Cornell-developed實驗室和最近開發出來的雙探測器設備，來觀測環境條件改變時超晶格的形成過程。其中選擇鉛硫化物膠體晶體作為研究對象,這樣Weidman能夠在同時進行小角X射線散射(捕獲超晶格的結構)和廣角X射線散射(捕獲原子尺度單一粒子的取向和排列)期間觀察溶劑蒸發的情況。

當我們以足夠快的速度收集自組裝的數據時，就可以對晶體自組裝的過程進行實時的觀察，並能夠輸出直觀的圖片以及過程的動態效果圖，這些需要我們使用含重金屬(鉛)的膠體晶體以及同步X射線源足夠的亮度。

展望

這項發現可能有助於構建有機軟材料自組裝的精緻模型。此外，實時觀測結構的能力有希望使系統達到期望的配置，同時預示著一個能夠知曉如何創建超晶格方法的未來。

Tisdale和他的團隊計劃使用新技術來控制參數如溶劑條件以及膠體晶體的大小和形狀，和更仔細地研究表面的配體，這些或許就是自組裝進行的關鍵因素。然而膠體晶體自組裝方式的研究依然還有很長一段路要走……

本文由材料人網編輯部楊洪期提供素材，王雅博編譯

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