科学家开发X射线视觉技术来观察晶体内部

纽约大学的一个研究小组发明了一种新方法，即通过观察晶体内部结构来观察晶体，类似于使用X射线观察晶体。他们的新技术被恰当地命名为“水晶透明”，结合使用透明粒子、显微镜和激光，使科学家能够看到组成晶体的每个单元，并创建动态三维模型。

纽约大学化学教授、这项研究的首席研究员斯特凡诺·萨卡纳(StefanoSacanna)表示：“这是一个研究晶体的强大平台”，这项研究发表在《自然材料》杂志上。

“以前，如果你通过显微镜观察胶体晶体，你只能了解它的形状和表面结构。但现在我们可以看到内部，并知道结构中每个单元的位置。”

原子晶体是一种固体材料，其构成单元以重复、有序的方式排列。有时，原子会缺失或移位，从而产生缺陷。原子和缺陷的排列形成了不同的晶体材料(从食盐到钻石)，并赋予它们各自的特性。

为了研究晶体，包括萨卡纳在内的许多科学家都将目光投向了由微小球体(称为胶体粒子，而非原子)组成的晶体。胶体粒子非常小，直径通常约为一微米，比人类头发小几十倍，但比原子大得多，因此在显微镜下更容易看到。

透明结构

在他们正在进行的了解胶体晶体如何形成的工作中，研究人员认识到需要观察这些结构的内部。在Sacanna实验室博士生兼研究第一作者ShihaoZang的带领下，该团队着手创建一种方法来可视化晶体内部的构成要素。

他们首先开发出透明的胶体颗粒，并添加染料分子进行标记，使得每个颗粒都可以在显微镜下利用其荧光进行区分。

仅靠显微镜无法让研究人员看到晶体内部，因此他们转向了一种称为共聚焦显微镜的成像技术，该技术使用激光束扫描材料以从染料分子产生目标荧光。

这样可以显示晶体的每个二维平面，这些平面可以堆叠在一起，构建三维数字模型并确定每个粒子的位置。模型可以旋转、切片和拆开，以查看晶体内部并查看任何缺陷。

在一组实验中，研究人员将这种成像方法应用于两种相同类型的晶体一起生长时形成的晶体——这种现象被称为“孪生”。

当他们观察结构类似于食盐或铜金合金的晶体模型时，他们可以看到相邻晶体的共同平面，这种缺陷导致了这些特殊形状的形成。这个共同平面揭示了孪生的分子起源。

运动中的晶体

除了观察静态晶体，这项新技术还能让科学家看到晶体的变化。例如，当晶体熔化时会发生什么——粒子会重新排列吗?缺陷会移动吗?在一项实验中，研究人员熔化了具有矿物盐氯化铯结构的晶体，他们惊讶地发现缺陷是稳定的，并没有像预期的那样移动。

为了验证他们在静态和动态晶体上的实验，该团队还使用计算机模拟来创建具有相同特性的晶体，证实他们的“水晶清晰”方法准确地捕捉到了晶体内部的东西。

“从某种意义上说，我们试图通过这项实验让我们自己的模拟失去作用——如果你能看到晶体内部，你可能不再需要模拟了，”纽约大学化学助理教授、纽约大学西蒙斯计算物理化学中心教员、该研究的共同通讯作者格伦霍基开玩笑说。

现在科学家有了可视化晶体内部的方法，他们可以更容易地研究晶体的化学历史和形成方式，这可以为构建更好的晶体和开发与光相互作用的光子材料铺平道路。

萨卡纳补充道：“能够看到晶体内部让我们能够更深入地了解结晶过程的工作原理，或许可以帮助我们通过设计优化晶体的生长过程。”

更多信息：Zang,S.等人，实现离子胶体结晶的三维实空间分析，

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