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研究背景

膠體晶體是由微米級膠體顆粒組成的有序結構，在物理、化學和材料科學領域中具有廣泛的應用前景。然而，由于傳統的結構表征技術對于膠體晶體的內部結構和動態行為的限制，對其進行準確觀察和分析一直是一個挑戰。近年來，隨著研究者對膠體晶體內部結構的興趣增加，三維共聚焦顯微鏡等高級成像技術的發展為解決這一難題提供了新的可能性。

膠體晶體的內部結構對其性質和應用具有重要影響，但傳統的結構表征方法通常只能提供表面信息，而無法深入探究其內部結構。尤其是在觀察膠體晶體中的缺陷、孿生和動態行為方面存在著挑戰。因此，尋找一種能夠準確且非破壞性地觀察膠體晶體內部結構和動態的方法成為當前研究的熱點。

盡管許多科學家提出了利用高級成像技術，如三維共聚焦顯微鏡，來觀察膠體晶體的內部結構和動態行為。然而，現有的挑戰之一是膠體顆粒的折射率與周圍介質的折射率之間的差異，這會導致激光光線在成像過程中的散射，影響了成像質量和準確性。因此，尋找一種有效的方法來解決這一挑戰，以實現對膠體晶體的高分辨率、高質量的三維成像，成為當前研究的迫切需求。

成果簡介

為了解決這一問題，美國紐約大學（New York University）Glen M. Hocky & Stefano Sacanna等科學家提出了利用索引匹配的熒光標記的膠體顆粒的方法，通過將這些顆粒與周圍介質的折射率相匹配，從而減少光線的散射，實現對膠體晶體的高質量三維成像。這種方法在實驗中得到了初步的成功，并為膠體晶體內部結構和動態行為的研究提供了新的可能性。以上成果在 Nature Materials上發題“Enabling three-dimensional real-space analysis of ionic colloidal crystallization”的最新論文。

本研究旨在利用索引匹配的熒光標記的膠體顆粒來實現對膠體晶體內部結構和動態行為的高分辨率、高質量的三維成像，以探究膠體晶體的內部結構和動態行為。通過建立一種穩健的成像平臺，結合先進的成像技術，我們將能夠深入理解膠體晶體的內部結構和動態行為，為其在材料科學、納米技術等領域的應用提供重要的理論和實驗基礎。

他，把研究做到極致！時隔3年，發完Nature再發Nature Materials！

資料顯示，三年前，針對“膠體”材料研究，來自紐約大學的Stefano Sacanna教授于2021年以題為“Transmembrane transport in inorganic colloidal cell-mimics”發表在《Nature》上，引起了不小的關注！

研究亮點

1.三維結構成像技術創新：通過共聚焦顯微鏡技術和熒光標記的膠體顆粒，實現了對膠體晶體的三維結構進行實時成像和分析。這一創新技術克服了以往只能從外部推斷晶體行為的局限性，為觀察晶體內部結構和動態行為提供了全新的視角。

2.離子膠體晶體的內部分析：針對離子膠體晶體的研究，采用了新穎的熒光標記和內部分析方法，可以精確地觀察和理解晶體內部的結構和動態變化。這一方法的開發填補了對復雜晶體內部結構進行實時分析的空白。

3.索引匹配膠體系統設計：通過設計一種索引匹配的熒光標記的膠體顆粒系統，使其與水的折射率幾乎匹配，從而解決了傳統共聚焦顯微鏡技術中由膠體顆粒散射激光光線引起的問題。這一創新設計為實現高分辨率的膠體晶體成像提供了關鍵技術支持。

4.膠體晶體的可控制備和調控：通過聚合物減弱庫侖自組裝（PACS）方法，實現了在水溶液中組裝多組分膠體晶體的通用技術。利用這一方法可以精確地控制晶體的結構和組裝過程，為研究晶體的形態學和動力學提供了可靠的實驗平臺。

5.對晶體動力學行為的觀察：利用新開發的成像技術，實現了對晶體動力學行為的實時觀察，包括缺陷內的重新排列和晶體的熔化等現象。這一觀察結果為理解晶體的生長和變形過程提供了重要線索。

圖文解讀

圖1. 總體策略。

圖2. 二元晶體的組裝和成像。

圖3. 3D晶體重構和結構鑒定。

圖4. 單點缺陷。

圖5：Cu₃Au類晶體中的孿晶界分析。

圖 6：類似于Cu₃Au晶體中雙孿生的特征。

總結展望

本文通過研究離子膠體晶體的結構和形態，揭示了多孿晶面內部結構的多樣性及其對晶體宏觀形態的影響。特別地，針對Cu₃Au晶體，發現了平行和非平行孿晶面形成的不同幾何結構，這為解釋晶體的對稱性提供了新的視角。通過新穎的成像技術，實現了對晶體內部結構的高分辨率成像，有助于理解晶體成核和生長的機制。同時，通過對多組分膠體晶體的研究，拓展了對晶體形態和動力學行為的認識。這一研究為理解離子固體的結晶過程提供了重要線索，有望推動材料發現和晶體工程的進一步發展。

文獻信息

Zang, S., Hauser, A.W., Paul, S. et al. Enabling three-dimensional real-space analysis of ionic colloidal crystallization. Nat. Mater. (2024). https://doi.org/10.1038/s41563-024-01917-w

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