上海科技大學物質學院陳剛教授課題組利用同步輻射X射線表面掠入射小角散射技術，
原位觀測膠體粒子在氣液界面處自組裝形成二維超晶格結構的過程，並由此破解了一個困擾學術界近四十年的謎題。相關成果以“In situ X-ray scattering observation of two-dimensional interfacial colloidal crystallization”為題，於知名學術期刊《Nature Communications》上在線發表。論文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41467-018-03767-y
膠體粒子可溶於液體或吸附於液體的表面，這不僅是常見的自然現象，還被廣泛應用於物理、材料和化學等領域，因此，對膠體粒子的研究具有重大的科學意義。1980年，美國科學家Pieranski利用光學顯微鏡觀測膠體粒子的二維結晶過程時，發現在有限範圍的液麵上佈置一定量的膠體粒子時，在庫倫相互排斥作用下它們會形成有序和晶態的陣列。在之後的研究中，科學家們不斷髮現膠體粒子在沒有外力的作用下也會自發形成長程有序的亞穩態排列。
眾所周知，在經典庫倫定律下，帶有同種電荷的粒子之間相互排斥；然而實驗中觀測到膠體粒子長程有序的排列說明它們之間存在著長程的相互吸引力。顯然，這一物理現象無法用經典的靜電理論進行全面的解釋。從上世紀80年代開始，圍繞這一長程作用力的來源，全世界科學家們開展了不懈的實驗和理論研究，但至今對於其內在的物理機制仍有很大的爭議，實驗和理論之間也存在諸多分歧。
概括而言，造成這一看似簡單卻長期困擾科學家的物理難題的主要原因是：對於液體界面處的微觀物體，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麵上開展測量）。
在這項研究中，陳剛課題組首次將同步輻射X射線表面掠入射小角散射技術應用於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測膠體粒子在界面內的結構演變過程，同時可以跟蹤測量其相對於界面的位置和結構的變化。通過這一研究，研究人員觀測到膠體粒子在氣液界面處從無序的分散狀態，經過多個亞穩態，最後形成穩定的二維六角密排的超晶格結構的過程。在這一過程中，他們意外發現，隨著膠體粒子之間相互靠近，它們在液體中的浸潤深度（或接觸角）發生了變化。這一突破性的發現是之前的研究沒有也無法實現的。
圖1:X射線表面掠入射小角散射實驗佈局和原理圖
由於膠體粒子浸潤深度的變化，使其周圍液麵發生形變形成凹面，當相鄰粒子之間的凹面相互重疊時會產生毛細力，而這一由液麵彎曲形成的毛細力正是導致帶相同電荷的膠體粒子之間長程相互吸引的真正原因。為了進一步分析膠體粒子之間的相互作用勢，研究人員進行了完整的有限元分析與模擬。至此，一個曾經困擾全世界科學家們將近四十年的謎題得以破解。
該論文中，物質學院2014級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。該研究得到了國家自然科學基金、上海市科委、上科大啟動經費及上海光源的大力支持。
圖2: 膠體粒子在界面處的形貌和相互作用力的分析
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