新技術(shù)使科學(xué)家能夠看到構(gòu)成膠體晶體的每個粒子并創(chuàng)建動態(tài)三維模型。圖片來源：美國紐約大學(xué)
科技日報記者?張佳欣
美國紐約大學(xué)研究人員開發(fā)了一項創(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)成晶體的每個單元，并據(jù)此創(chuàng)建出動態(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做標(biāo)記，從而在顯微鏡下可用熒光區(qū)分每個顆粒。
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二維平面，還能將這些平面堆疊起來，構(gòu)建出三維數(shù)字模型，并精確確定每個粒子的位置。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，這項技術(shù)還允許科學(xué)家在晶體變化時對其進(jìn)行可視化。例如，當(dāng)晶體熔化時會發(fā)生什么？粒子會重新排列嗎？缺陷會移動嗎？在一項實驗中，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。
為了驗證靜態(tài)和動態(tài)晶體的實驗，研究人員使用計算機(jī)模擬來創(chuàng)建具有相同特征的晶體，并證實這一方法可準(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)的晶體和開發(fā)與光相互作用的光子材料鋪平道路。
總編輯圈點
寶石是晶體，冰塊和食鹽也是。研究晶體對材料學(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，看到各個離子的相互位置關(guān)系和對稱狀態(tài)。但是，要想實時觀察，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，人們可以看到晶體的每個二維平面，還能及時捕捉晶體不同狀態(tài)時內(nèi)部的變化。這一技術(shù)，可為開發(fā)更有意思的光子材料開辟新路。
