胶体晶体神秘的自组装

材料牛注：Tisdale等组成的研究团队发现通过使用含重金属(铅)的胶体晶体以及足够的亮度同步X射线源，可以以足够快的速度收集自组装的数据，这样就可以对晶体自组装的过程进行实时的观察，并能够输出直观的图片以及过程的动态效果图，从而揭示胶体晶体自组装的秘密。

在我们对胶体的印象中，激光可以在胶体中形成明显的光路，但除此之外这些悬浮在溶液中的胶体颗粒，并非静止不动而是一直变换着，或是满满的如水泥般充实，或是美丽如少女衣衫蕾丝网格，或是转瞬成为超晶格结构，这莫测的变换几十年来一直迷惑着无数的科学研究者，然而这隐藏已久的胶体晶体自组装结构秘密将要被揭晓了。

胶体晶体中微小的超晶格，也称为量子点，不单自身具有很鲜艳的色彩，而且被用于创造更多生动的显示屏以及光学传感设备的阵列。研究量子点如何进行变换，有可能在任何事物的表面做成一个智能屏幕或能源铰链。

对胶体晶体结构的自组装过程原位观测，需要结合控制溶剂蒸发和同步加速器X射线散射这些技术。其中观测的研究结果发布在《Nature Materials》杂志上的一篇论文中（作者包括麻省理工学院化学工程系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）。研究人员预测他们的新发现将会直接影响超晶格的生成。

量子点的“迪斯科”（即量子点的变换）

Tisdale和他的同事们的研究团队主要研究表面涂有有机分子的半导体胶体晶体，这种处理过的胶体晶体能够形成可溶液加工的电子材料，目前这种电子材料涉及到生活中方方面面的电子产品。由于此类材料低成本，简单的制造特点，他们这个团队期望将其制作成为高效的太阳能电池和其他能量转换设备。

目前来看将这些胶体晶体转换成其他能量在技术上还是存在壁垒的，这主要还是由于缺乏他们是如何进行自组装的相关知识，即不知晓他们是如何从胶体粒子(如悬浮在液体小塑料球)变换到超晶格结构(图片中干燥、包装、和整齐排列的同等大小的球)的。

随着技术的不断进步，电子显微镜以及动态光散射技术的运用，使得对胶体状态的观察从发现某些方面开始，到发现超晶格结构为止，研究人员并没有发现这两个状态之间有何关系。

“在过去10到15年，在制备异常美丽的胶体晶体结构方面已经取得了很大的进展,”Tisdale说。“然而，关于他们如何组装成现有的各种形态仍然有很多争议。它究竟是配体熵还是胶体晶体的面？实时观看整个自组织展开过程得到的深度信息可以帮助回答这些问题。”

秘技

为了观测到上面纳米级的变换过程，Tisdale的研究生和合著者Mark Weidman利用Cornell-developed实验室和最近开发出来的双探测器设备，来观测环境条件改变时超晶格的形成过程。其中选择铅硫化物胶体晶体作为研究对象,这样Weidman能够在同时进行小角X射线散射(捕获超晶格的结构)和广角X射线散射(捕获原子尺度单一粒子的取向和排列)期间观察溶剂蒸发的情况。

当我们以足够快的速度收集自组装的数据时，就可以对晶体自组装的过程进行实时的观察，并能够输出直观的图片以及过程的动态效果图，这些需要我们使用含重金属(铅)的胶体晶体以及同步X射线源足够的亮度。

展望

这项发现可能有助于构建有机软材料自组装的精致模型。此外，实时观测结构的能力有希望使系统达到期望的配置，同时预示着一个能够知晓如何创建超晶格方法的未来。

Tisdale和他的团队计划使用新技术来控制参数如溶剂条件以及胶体晶体的大小和形状，和更仔细地研究表面的配体，这些或许就是自组装进行的关键因素。然而胶体晶体自组装方式的研究依然还有很长一段路要走……

参考来源：Nanocrystal self-assembly sheds its secrets

素材：杨洪期         译者：王雅博