看材料的结晶

来自西北大学和伊利诺伊大学的研究人员已经使观察和模拟晶体材料的自组装成为可能,其分辨率比以往任何时候都要高得多。

利用计算机建模和一种被称为液相电子显微镜的成像技术,研究小组精确定位了微小纳米颗粒在定向进入晶格时的单个运动。

这项研究证实,合成纳米颗粒——许多合成和生物材料的基本组成部分——可以以比大颗粒复杂得多的方式组装。这一发现为矿化、制药、光学和电子的更广泛应用铺平了道路。美国西北大学的Erik Luijten领导了这项研究的计算建模部分,他说:“对大约1微米大小的粒子进行成像和建模是常规操作。”“在这里,我们有新开发的技术,可以对100纳米大小的粒子做到这一点——比以前小10倍。”

这项研究发表在今天(10月28日)的《自然材料》杂志上。Luijten是西北大学麦考密克工程学院材料科学与工程的主席和教授。他与伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校材料科学与工程教授钱晨共同领导了这项研究。

由于纳米颗粒非常小,并且在液体溶液中相互作用,因此在液相电子显微镜技术之前,通过直接观察来验证其结晶途径是不可能的。

陈的团队在实验室中使用液体中的微小金质棱镜进行实验,密切观察粒子之间的相互作用。这些粒子首先以柱状堆积在一起,然后紧密堆积成有序的晶体。

新技术可以观察到比现有技术小10倍的粒子

“我们所观察到的是一个中间的非晶相,它发生在纳米颗粒的结晶过程中,这是在这项研究之前没有发现的,”陈说。

然而,研究人员说,有一些关于结晶途径的细节是不能仅通过成像来测量的。

Luijten说:“我们的计算机模拟是由西北大学研究生王紫薇开发的,它让我们能够找出纳米颗粒运动和结晶背后的基本驱动力的细节。”“结果表明,粒子方向的随机性导致了在更大尺度上的不同类型的结晶。这是实验数据提出的一个概念,但它确实需要模拟来证实这一原理。”

研究人员展望了这一发展的广泛应用,例如,从了解蛋白质如何自我组装到新电池材料背后的纳米级物理学。

Luijten还在西北大学温伯格文理学院的化学、物理和天文系任职。

这项名为“纳米级结晶的动力学路径”的研究得到了美国能源部和美国国家科学基金会的支持。

-路易斯Yoksoulian

主题:麦考密克工程学院,研究,温伯格艺术与科学学院

新闻旨在传播有益信息,英文原版地址:https://news.northwestern.edu/stories/2019/10/watching-materials-crystallize/

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