納米晶體如何「生長」成超晶格？人類首次實時觀測到該過程

早在1970年，美國IBM實驗室的江崎和朱兆祥提出了超晶格的概念。它是由兩種不同納米材料的薄層（幾納米到幾十納米）周期性地交替生長形成的多層結構，是一種有序的規則的結構。通常，通過自組裝形成最終的超晶格結構需要幾天甚至是幾周的時間。但是，去年，美國SLAC國家加速實驗室和斯坦福大學的科學家研究表明可以在更短時間內形成超晶格結構。

最近，SLAC和斯坦福的研究人員在《自然》期刊上發布了新的研究成果，他們利用同步加速器輻射光源的X射線實時觀測納米晶體生長並形成超晶格的過程。該研究的帶領人之一是美國斯坦福大學化學工程專業的助理教授Matteo Cargnello，他表示研究的重點是解釋納米晶體的生長過程、合成條件的影響以及如何獲得整齊規則的組裝結構（超晶格）。

Cargnello表示，去年開始最初的觀測實驗，是利用金屬鈀納米晶體來研究了這一快速生長過程。另外，研究還表明，鈀納米晶體生長並組裝超晶格的機理同樣適用於其他的金屬材料（比如鐵）和半導體材料（比如碲化鉛）。

現在，他們認為該機理更具普適性，有可能拓展到很多其他的膠質體系，並且不同材料體系的唯一區別在於納米晶體生長條件（溫度等）的不同。並且，他們認為通過觀察納米晶的生長過程，有助於找到更可控的合成方法。

基於此，他們開始研究自組裝過程誘導因素，這有助於在更複雜的體系以及多種類納米晶的體系中實現自組裝過程，進而得到具備突出性能的複雜的超晶體。只是，在研究不同種類材料形成超晶體的過程之前，科學家們表示必須花費大量時間研究同種材料形成超晶體的過程。

超晶格結構有很多有意思的應用，有待於進一步研究，比如它們如何存儲能量和信息、如何實現集光和電子傳輸。另外，也有很多基本問題尚未解決，比如納米晶體組裝成有序結構後如何繼續生長、多種不同材料如何形成組裝結構等。研究人員認為利用他們的方法能夠更容易地研究超晶體的性能，並且通過實時觀測獲取更有趣的進展。

該研究中用於觀察生長過程的技術是小角X射線散射，即利用X射線照射前驅體溶液，然後分析X射線散射光譜。樣品粒子大小不同，則產生不同的散射效應。因此，利用小角X射線散射，可以分析前驅體溶液中粒子尺寸大小、尺寸變化以及它們如何相互靠近形成超晶格。這項技術已經應用了很多年，用於觀察溶液中納米晶體。但是，利用該技術實時觀察溶液中納米晶體的生長過程，卻是第一次。

未來，科學家們計劃研發連續的反應器，實現不同結構的生長並分析它們的性能。Cargnello補充到，「我們對催化過程格外感興趣。在催化過程中，催化劑會影響反應過程並且選擇性地形成特定燃料和化學品，有助於實現可持續發展。」

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