近日,上海科技大學(xué)物質(zhì)學(xué)院陳剛教授課題組在膠體納米顆粒自組裝研究方面再次取得重要進(jìn)展。該研究應(yīng)用同步輻射X射線小角散射(SAXS)手段,原位觀測(cè)了膠體液滴的蒸發(fā)自組裝過(guò)程,揭示了膠體粒子的結(jié)構(gòu)演變和蒸發(fā)動(dòng)力學(xué)過(guò)程。日前,該成果以“Dynamic Crystallization and Phase Transition in Evaporating Colloidal Droplets”為題,在知名學(xué)術(shù)期刊《Nano Letters》上在線發(fā)表。
膠體液滴蒸發(fā)是自然界中普遍存在的現(xiàn)象,也是一種理想的構(gòu)建大規(guī)模微納米結(jié)構(gòu)的途徑。單分散的膠體粒子可以自組裝形成有序陣列,成為功能材料的構(gòu)建模塊。然而,目前對(duì)于膠體液滴的蒸發(fā)過(guò)程尚有很多未知因素,例如蒸發(fā)動(dòng)力學(xué)與膠體結(jié)晶過(guò)程的關(guān)聯(lián)、濃度對(duì)于膠體相轉(zhuǎn)變的影響等。
針對(duì)這一重要問(wèn)題,陳剛教授課題組應(yīng)用同步輻射原位X射線小角散射和準(zhǔn)原位電子顯微鏡技術(shù),揭示了聚苯乙烯微球膠體液滴在液-固相轉(zhuǎn)變過(guò)程中的結(jié)構(gòu)演化和蒸發(fā)動(dòng)力學(xué)。研究人員首次發(fā)現(xiàn)了膠體液滴中的面心立方(fcc)、隨機(jī)六方密堆(rhcp)和隨機(jī)密堆(rcp)結(jié)構(gòu)的異質(zhì)結(jié)晶過(guò)程,結(jié)合體積分?jǐn)?shù)擬合和Onsager原理,對(duì)蒸發(fā)過(guò)程中的膠體濃度梯度、凝膠化和空腔形成進(jìn)行定量分析。
圖1:同步輻射X射線小角散射實(shí)驗(yàn)布局和數(shù)據(jù)分析
該項(xiàng)工作揭示了蒸發(fā)過(guò)程中膠體粒子的結(jié)晶機(jī)制,發(fā)現(xiàn)了膠體結(jié)晶結(jié)構(gòu)異質(zhì)性和蒸發(fā)動(dòng)力學(xué)之間的密切聯(lián)系。這是該課題組利用同步輻射原位表征技術(shù)研究膠體自組裝行為的一系列成果之一。
圖2:干燥后膠體液滴形成的超晶格結(jié)構(gòu)的電鏡分析
上海科技大學(xué)物質(zhì)學(xué)院2015級(jí)博士研究生王嘯為文章第一作者,陳剛教授為通訊作者,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。
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