有史以来第一次，研究人员看到了纳米粒子自组装成固体材料的迷人过程。在令人惊叹的新视频中，粒子如雨点般落下，沿着阶梯翻滚并四处滑动，最后卡入到位，形成水晶标志性的堆叠层。

在西北大学和伊利诺伊大学香槟分校的带领下，研究团队表示，这些新见解可用于设计新材料，包括用于电子应用的薄膜。

该研究将于3月30日发表在《自然纳米技术》杂志上。

被研究人员描述为“实验杰作”的这项研究使用了一种新优化的液相透射电子显微镜(TEM)形式，以获得对自组装过程的前所未有的洞察。在这项工作之前，研究人员已经使用显微镜观察了微米大小的胶体——比纳米粒子大10到100倍——自组装成晶体。他们还使用X射线晶体学或电子显微镜观察晶格中的单层原子。但他们无法观察到原子单独移动到位。

“我们知道原子使用类似的方案组装成晶体，但我们从未见过实际的生长过程，”领导理论和计算工作解释观察结果的西北大学的ErikLuijten说。“现在我们看到它就在我们眼前聚集在一起。通过观察纳米粒子，我们正在观察比原子大但比胶体小的粒子。所以，我们已经完成了长度尺度的整个光谱。我们正在填补缺少长度。”

“此前，我们的团队解决了成核的奥秘，即由数十个纳米粒子组成的晶体胚胎是如何形成的，它遵循溶液中的非经典途径，”领导该实验工作的伊利诺伊州的QianChen说。“随着液相TEM和数据科学的最新进展，在这项工作中，我们现在能够捕捉和跟踪数以千计的纳米粒子随时间的运动。这些纳米粒子在溶液中摆动并长成各种形态的晶体，如多面体或结婚蛋糕”

Luijten是西北大学麦考密克工程学院材料科学与工程教授，同时也是副院长。Chen是伊利诺伊大学材料科学与工程学院的副教授。

大多数人都熟悉盐、糖、雪花和闪闪发光的宝石(如钻石)形式的晶体。虽然结晶是一种普遍存在的现象，但晶体究竟是如何形成的仍然是个谜。组成晶体材料的构件——原子、分子或离子——高度有序，形成等距构件的晶格。然后这些晶格相互堆叠，形成三维固体材料。

“原子堆叠成规则排列是晶体具有光滑平坦表面的原因，”Luijten说。“这就是为什么它们沿着直边断裂。”

到目前为止，研究人员通过检查称为胶体的更大颗粒来研究结晶。但是观察胶体自我排列成晶体并不能深入了解原子的行为方式。晶体具有平坦、均匀的表面，而由微米级胶体制成的晶体结构往往采用不均匀、粗糙的表面。

“胶体比原子大得多，以至于它们在结晶时遵循相同的步骤值得怀疑，”Luijten说。“所以，他们没有告诉我们原子是做什么的。胶体与原子的类比并不成立。”

为了更深入地了解结晶过程，Luijten、Chen和他们的团队转向了纳米粒子。改进液相TEM的最新进展使得实时观察纳米粒子形成固体材料成为可能。Chen的团队花了数年时间优化该过程，以确保电子束可以在不损坏粒子的情况下观察粒子。在这项新研究中，研究人员使用不同形状的纳米粒子——立方体、球体和锯齿状的立方体——来探索形状如何影响行为。

研究人员首先通过高级计算机模拟可视化晶体形成，该模拟由西北大学研究生ZiweiWang和GarrettWatson以及博士后研究员TineCurk进行。然后他们用液相TEM进行了实验，以实时观察纳米粒子的自组装。在实验中，研究人员注意到粒子相互碰撞，粘在一起形成层。然后，为了形成逐层晶体结构，颗粒首先形成水平层，然后垂直堆叠。有时，在彼此粘附后，颗粒会短暂分离并落到下面的一层上。

“他们一路奔跑，然后在倒下之前在边缘犹豫不决，”Luijten说。“这就像一个潜水员在跳水板的边缘犹豫不决。我不敢相信我们真的能看到这一点。我们以前从未见过真正的成长过程——只有结果。”

Luijten表示，这些信息将有助于工程师设计新材料。这种洞察力特别有助于薄膜材料的设计，这些材料通常用于制造柔性电子产品、发光二极管、晶体管和太阳能电池。

“了解粒子如何聚集在一起将使我们能够控制表面的形状，”Luijten说。“你想要平坦的还是粗糙的表面?改变粒子形状或粒子下落的速度会影响表面。”