纽约大学的一组研究人员发明了一种新的方法，通过观察晶体的内部结构来观察晶体，类似于x射线视觉。他们的新技术——他们恰当地命名为“水晶透明”——结合了透明粒子和激光显微镜的使用，使科学家能够看到组成晶体的每个单元，并创建动态的三维模型。
“这是一个研究晶体的强大平台，”纽约大学化学教授、该研究的首席研究员Stefano Sacanna说，该研究发表在《自然材料》杂志上。“以前，如果你通过显微镜观察胶体晶体，你只能感觉到它的表面形状和结构。但我们现在可以看到内部，并知道每个单元在结构中的位置。”
原子晶体是一种固体材料，它的组成部分以一种重复的、有序的方式排列。每隔一段时间，一个原子就会丢失或错位，从而导致缺陷。原子和缺陷的排列造就了不同的晶体材料——从食盐到钻石——并赋予了它们各自的特性。
为了研究晶体，包括Sacanna在内的许多科学家将目光投向了由称为胶体粒子的微小球体而不是原子组成的晶体。胶体颗粒很小，直径通常在一微米左右，比人的头发小几十倍，但比原子大得多，因此在显微镜下更容易观察到。
透明结构
在他们正在进行的了解胶体晶体如何形成的工作中，研究人员认识到需要看到这些结构的内部。在Sacanna实验室的博士生、该研究的第一作者Shihao Zang的带领下，该团队着手创造一种方法，将晶体内部的构建块可视化。他们首先开发了透明的胶体颗粒，并添加了染料分子来标记它们，使每个颗粒在显微镜下可以使用它们的荧光来区分。
单独使用显微镜无法让研究人员看到晶体内部，因此他们转向了一种称为共聚焦显微镜的成像技术，该技术使用激光束扫描材料，从染料分子中产生目标荧光。这揭示了晶体的每个二维平面，它们可以相互堆叠以建立三维数字模型并识别每个粒子的位置。这些模型可以旋转、切片和拆开来观察晶体内部并发现任何缺陷。
在一组实验中，研究人员将这种成像方法用于两种相同类型的晶体一起生长时形成的晶体，这种现象被称为“孪生”。当他们观察具有相当于食盐或铜金合金结构的晶体模型时，他们可以看到相邻晶体的共享平面，这是产生这些特殊形状的缺陷。这个共同的平面揭示了双胞胎的分子起源。
运动中的晶体
除了观察静态晶体外，这项新技术还使科学家能够可视化晶体的变化。例如，晶体融化时会发生什么——粒子会重新排列吗?缺陷会移动吗?在一项实验中，研究人员熔化了一种具有矿物盐氯化铯结构的晶体，他们惊讶地发现，这些缺陷是稳定的，并没有像预期的那样四处移动。
为了验证他们在静态和动态晶体上的实验，研究小组还使用计算机模拟来制造具有相同特征的晶体，证实他们的“水晶透明”方法准确地捕获了晶体内部的物质。
纽约大学化学助理教授、纽约大学西蒙斯计算物理化学中心的教员格伦·霍基(Glen Hocky)开玩笑说:“从某种意义上说，我们正试图用这个实验来摆脱我们自己的模拟——如果你能看到晶体内部，你可能不再需要模拟了。”他也是这项研究的通讯作者之一。
现在，科学家们有了一种可视化晶体内部的方法，他们可以更容易地研究它们的化学历史和它们是如何形成的，这可能为构建更好的晶体和开发与光相互作用的光子材料铺平道路。
Sacanna补充说:“能够看到晶体内部，可以让我们更深入地了解结晶过程是如何工作的，也许可以帮助我们通过设计优化晶体生长的过程。”
其他研究作者包括纽约大学的Adam Hauser和Sanjib Paul。该研究得到了美国陆军研究办公室(奖励号W911NF-21-1-0011)的支持，并得到了美国国立卫生研究院(R35GM138312)的额外支持，并使用了纽约大学IT高性能计算资源，包括纽约大学西蒙斯计算物理化学中心(资助号839534)支持的资源。
