仪器新应用！共聚焦显微镜，发一篇Nature Materials！

【科学背景】

在晶体学研究领域，科学家们一直致力于理解晶体的结构和形成过程。传统上，晶体被视为由简单的晶胞无限重复构成的完美结构，但在现实中，晶体的大小有限，形态复杂，存在各种缺陷，以及不同晶体之间可以相互渗透形成“孪生”结构。然而，由于晶体内部的微观结构无法直接观察，研究人员通常通过外部表征来推断晶体的性质和行为。

近年来，随着对微米级胶体颗粒及其在晶体学中的应用的研究兴起，人们开始尝试利用这些模型系统来模拟原子或分子系统的行为，以便更好地理解晶体的内部结构和动态。然而，由于现有技术的限制，尤其是在对胶体晶体进行三维成像时，研究者们往往无法直接观察到晶体内部的微观结构。

这种情况引起了研究人员的关注，他们意识到需要开发一种新的方法来实现对胶体晶体内部结构的直接观察。特别是，需要一种能够在水溶液中形成复杂的二元离子晶体，并且能够通过内部成像技术来观察这些晶体的内部结构和动态。因此，对于解决这一问题的关键在于开发一种能够在水中形成稳定的二元离子晶体，并且能够通过高分辨率的内部成像技术进行观察的方法。

为了解决这一问题，美国纽约大学Glen M. Hocky & Stefano Sacanna等科学家们引入了一种名为聚合物减弱库仑自组装（PACS）的新方法，该方法利用了胶体的表面电荷来在水中组装多组分胶体晶体。通过这种方法，他们成功地形成了具有复杂结构的二元离子晶体，并且能够通过内部成像技术来观察这些晶体的内部结构和动态。相关成果在 “Nature Materials”上发题“Enabling three-dimensional real-space analysis of ionic colloidal crystallization”的研究论文。

本研究的重点是解决了对复杂胶体晶体进行高分辨率内部成像的技术挑战，并且为研究人员提供了一种新的方法来直接观察晶体的内部结构和动态。通过这种方法，研究人员能够更深入地理解晶体的形成过程，以及晶体中存在的各种缺陷和孪生现象。因此，本研究为实现对晶体内部结构的直接观察提供了一种全新的途径，对于晶体学研究具有重要的意义。

【科学亮点】

(1) 实验首次采用聚合物减弱库仑自组装（PACS）方法，在水溶液中组装多组分二元离子胶体晶体。

(2) 实验通过合成稳定的正负电荷胶体颗粒，这些颗粒具有可调大小、单分散性，并且几乎与水的折射率匹配。这为形成稳定的二元离子晶体奠定了基础。

(3) 利用PACS方法，通过改变颗粒大小比和盐浓度，成功调控了二元离子晶体的结构和组装过程。这表明该方法具有可调控晶体形态和结构的优势。

(4) 实验结果显示，对于足够大的胶体直径，可以区分二元离子晶体中的所有颗粒，并且重构了全内部3D结构，深度达到约200层。这为研究晶体内部结构提供了高分辨率的手段。

(5) 通过内部分析和将生成的散射图案与参考晶体结构进行比较，成功识别了结果晶体结构。这表明可以通过内部分析方法来揭示晶体的结构和动态过程。

(6) 实验结果还揭示了一些以前只能从外部观察到的现象，如不同类型缺陷的结构和密度以及晶体孪生的起源。这为深入理解晶体内部现象提供了新的视角。

(7) 最后，实验通过在原位扫描和重构晶体的能力，观察到了动态现象，例如缺陷内的重新排列和晶体的熔化。这为研究晶体动力学过程提供了新的研究手段。

【科学图文】

图1. 总体策略。

图2. 二元晶体的组装和成像。

图3. 3D晶体重构和结构鉴定。

图4. 单点缺陷。

图 5：Cu3Au类晶体中的孪晶界分析。

图 6：类似于Cu3Au晶体中双孪生的特征。

【科学结论】

本研究通过共聚焦显微镜技术和荧光标记的胶体颗粒，成功实现了对离子胶体晶体的三维结构进行实时成像和内部分析。这一创新技术不仅克服了以往只能从外部推断晶体行为的局限性，还为观察晶体内部结构和动态行为提供了全新的视角。通过对具有多个孪晶面的晶体进行深入研究，揭示了孪晶边界的相对取向对晶体形态和对称性的影响，为理解晶体内部结构提供了重要线索。

此外，利用开发的氟化核-壳建筑模块，预计将能够极大地提高颗粒追踪的精度，并加速材料发现过程。这一研究不仅有助于深入理解晶体成核和生长的精确机制，还为设计者晶体组装提供了新的优化途径，从而推动了晶体学领域的进一步发展和应用。

文献详情：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