新技術(shù)使科學(xué)家能夠看到構(gòu)成膠體晶體的每個(gè)粒子并創(chuàng)建動(dòng)態(tài)三維模型。圖片來(lái)源：美國(guó)紐約大學(xué)

科技日?qǐng)?bào)記者?張佳欣

美國(guó)紐約大學(xué)研究人員開(kāi)發(fā)了一項(xiàng)創(chuàng)新技術(shù)。該技術(shù)使人能夠以前所未有的方式窺視晶體結(jié)構(gòu)，仿佛賦予人眼X射線般的超能力。這項(xiàng)名為“晶瑩剔透法”的新技術(shù)，將透明粒子、顯微鏡與激光技術(shù)相結(jié)合，使科學(xué)家能夠看到構(gòu)成晶體的每個(gè)單元，并據(jù)此創(chuàng)建出動(dòng)態(tài)三維模型。相關(guān)論文3日發(fā)表于《自然·材料》雜志上。

為了深入研究晶體，許多科學(xué)家將目光投向膠體粒子組成的晶體。這些粒子非常小，直徑通常在一微米左右。但相較于原子，它們又大很多，因此更容易在顯微鏡下觀察。

此次，研究人員致力于開(kāi)發(fā)一種方法，以可視化晶體內(nèi)部的構(gòu)建塊。他們首先創(chuàng)建了透明的膠體顆粒，并添加了染料分子來(lái)做標(biāo)記，從而在顯微鏡下可用熒光區(qū)分每個(gè)顆粒。

但僅靠顯微鏡還不夠，研究人員轉(zhuǎn)向了共聚焦顯微鏡成像技術(shù)。該技術(shù)利用激光束掃描材料，從染料分子中產(chǎn)生有特定的熒光。這不僅能夠揭示晶體的每個(gè)二維平面，還能將這些平面堆疊起來(lái)，構(gòu)建出三維數(shù)字模型，并精確確定每個(gè)粒子的位置。這些模型可以旋轉(zhuǎn)、切片和拆解，從而揭示晶體內(nèi)部任何潛在缺陷。

在靜態(tài)晶體中，他們用該技術(shù)觀察了晶體孿生現(xiàn)象。此外，這項(xiàng)技術(shù)還允許科學(xué)家在晶體變化時(shí)對(duì)其進(jìn)行可視化。例如，當(dāng)晶體熔化時(shí)會(huì)發(fā)生什么？粒子會(huì)重新排列嗎？缺陷會(huì)移動(dòng)嗎？在一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)中，研究人員熔化了一種具有礦物鹽氯化銫結(jié)構(gòu)的晶體。他們發(fā)現(xiàn)，缺陷是穩(wěn)定的，并未如預(yù)期那樣四處移動(dòng)。

為了驗(yàn)證靜態(tài)和動(dòng)態(tài)晶體的實(shí)驗(yàn)，研究人員使用計(jì)算機(jī)模擬來(lái)創(chuàng)建具有相同特征的晶體，并證實(shí)這一方法可準(zhǔn)確捕捉晶體內(nèi)部情況。這一突破性技術(shù)有望為構(gòu)建更優(yōu)質(zhì)的晶體和開(kāi)發(fā)與光相互作用的光子材料鋪平道路。

總編輯圈點(diǎn)

寶石是晶體，冰塊和食鹽也是。研究晶體對(duì)材料學(xué)、物質(zhì)科學(xué)都有重要意義。要了解晶體內(nèi)部結(jié)構(gòu)，就要借助先進(jìn)的科學(xué)儀器，看到各個(gè)離子的相互位置關(guān)系和對(duì)稱狀態(tài)。但是，要想實(shí)時(shí)觀察，還是人眼+顯微鏡的組合更為便捷。此次，科研人員采取了“染色法”，并用共聚焦顯微鏡成像技術(shù)讓染料分子產(chǎn)生特定的熒光，這樣一來(lái)，人們可以看到晶體的每個(gè)二維平面，還能及時(shí)捕捉晶體不同狀態(tài)時(shí)內(nèi)部的變化。這一技術(shù)，可為開(kāi)發(fā)更有意思的光子材料開(kāi)辟新路。