物質(zhì)學(xué)院陳剛教授課題組利用同步輻射X射線(xiàn)表面掠入射小角散射技術(shù)，原位觀(guān)測(cè)膠體粒子在氣液界面處自組裝形成二維超晶格結(jié)構(gòu)的過(guò)程，并由此破解了一個(gè)困擾學(xué)術(shù)界近四十年的謎題。近日，相關(guān)成果以“In situ X-ray scattering observation of two-dimensional interfacial colloidal crystallization”為題，于知名學(xué)術(shù)期刊《Nature Communications》上在線(xiàn)發(fā)表。

膠體粒子可溶于液體或吸附于液體的表面，這不僅是常見(jiàn)的自然現(xiàn)象，還被廣泛應(yīng)用于物理、材料和化學(xué)等領(lǐng)域，因此，對(duì)膠體粒子的研究具有重大的科學(xué)意義。1980年，美國(guó)科學(xué)家Pieranski利用光學(xué)顯微鏡觀(guān)測(cè)膠體粒子的二維結(jié)晶過(guò)程時(shí)，發(fā)現(xiàn)在有限范圍的液面上布置一定量的膠體粒子時(shí)，在庫(kù)倫相互排斥作用下它們會(huì)形成有序和晶態(tài)的陣列。在之后的研究中，科學(xué)家們不斷發(fā)現(xiàn)膠體粒子在沒(méi)有外力的作用下也會(huì)自發(fā)形成長(zhǎng)程有序的亞穩(wěn)態(tài)排列。

眾所周知，在經(jīng)典庫(kù)倫定律下，帶有同種電荷的粒子之間相互排斥；然而實(shí)驗(yàn)中觀(guān)測(cè)到膠體粒子長(zhǎng)程有序的排列說(shuō)明它們之間存在著長(zhǎng)程的相互吸引力。顯然，這一物理現(xiàn)象無(wú)法用經(jīng)典的靜電理論進(jìn)行全面的解釋。從上世紀(jì)80年代開(kāi)始，圍繞這一長(zhǎng)程作用力的來(lái)源，全世界科學(xué)家們開(kāi)展了不懈的實(shí)驗(yàn)和理論研究，但至今對(duì)于其內(nèi)在的物理機(jī)制仍有很大的爭(zhēng)議，實(shí)驗(yàn)和理論之間也存在諸多分歧。概括而言，造成這一看似簡(jiǎn)單卻長(zhǎng)期困擾科學(xué)家的物理難題的主要原因是：對(duì)于液體界面處的微觀(guān)物體，我們所能使用的研究手段是很有限的（比如，常用的電子顯微鏡和原子力顯微鏡都很難在液面上開(kāi)展測(cè)量）。

在這項(xiàng)研究中，陳剛課題組首次將同步輻射X射線(xiàn)表面掠入射小角散射技術(shù)應(yīng)用于膠體粒子在氣液界面處的自組裝研究（如圖1所示）。這一方法不但可以原位地跟蹤觀(guān)測(cè)膠體粒子在界面內(nèi)的結(jié)構(gòu)演變過(guò)程，同時(shí)可以跟蹤測(cè)量其相對(duì)于界面的位置和結(jié)構(gòu)的變化。通過(guò)這一研究，研究人員觀(guān)測(cè)到膠體粒子在氣液界面處從無(wú)序的分散狀態(tài)，經(jīng)過(guò)多個(gè)亞穩(wěn)態(tài)，最后形成穩(wěn)定的二維六角密排的超晶格結(jié)構(gòu)的過(guò)程。在這一過(guò)程中，他們意外發(fā)現(xiàn)，隨著膠體粒子之間相互靠近，它們?cè)谝后w中的浸潤(rùn)深度（或接觸角）發(fā)生了變化。這一突破性的發(fā)現(xiàn)是之前的研究沒(méi)有也無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。由于膠體粒子浸潤(rùn)深度的變化，使其周?chē)好姘l(fā)生形變形成凹面，當(dāng)相鄰粒子之間的凹面相互重疊時(shí)會(huì)產(chǎn)生毛細(xì)力，而這一由液面彎曲形成的毛細(xì)力正是導(dǎo)致帶相同電荷的膠體粒子之間長(zhǎng)程相互吸引的真正原因。為了進(jìn)一步分析膠體粒子之間的相互作用勢(shì)，研究人員進(jìn)行了完整的有限元分析與模擬。至此，一個(gè)曾經(jīng)困擾全世界科學(xué)家們將近四十年的謎題得以破解。

該論文中，物質(zhì)學(xué)院2014級(jí)博士研究生吳龍龍為第一作者，陳剛為通訊作者，上科大為第一完成單位。該研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、上海市科委、上科大啟動(dòng)經(jīng)費(fèi)及上海光源的大力支持。

論文鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41467-018-03767-y

圖1:X射線(xiàn)表面掠入射小角散射實(shí)驗(yàn)布局和原理圖

圖2: 膠體粒子在界面處的形貌和相互作用力的分析