物质学院陈刚教授课题组利用同步辐射X射线表面掠入射小角散射技术，原位观测胶体粒子在气液界面处自组装形成二维超晶格结构的过程，并由此破解了一个困扰学术界近四十年的谜题。近日，相关成果以“In situ X-ray scattering observation of two-dimensional interfacial colloidal crystallization”为题，于知名学术期刊《Nature Communications》上在线发表。
胶体粒子可溶于液体或吸附于液体的表面，这不仅是常见的自然现象，还被广泛应用于物理、材料和化学等领域，因此，对胶体粒子的研究具有重大的科学意义。1980年，美国科学家Pieranski利用光学显微镜观测胶体粒子的二维结晶过程时，发现在有限范围的液面上布置一定量的胶体粒子时，在库伦相互排斥作用下它们会形成有序和晶态的阵列。在之后的研究中，科学家们不断发现胶体粒子在没有外力的作用下也会自发形成长程有序的亚稳态排列。
众所周知，在经典库伦定律下，带有同种电荷的粒子之间相互排斥；然而实验中观测到胶体粒子长程有序的排列说明它们之间存在着长程的相互吸引力。显然，这一物理现象无法用经典的静电理论进行全面的解释。从上世纪80年代开始，围绕这一长程作用力的来源，全世界科学家们开展了不懈的实验和理论研究，但至今对于其内在的物理机制仍有很大的争议，实验和理论之间也存在诸多分歧。概括而言，造成这一看似简单却长期困扰科学家的物理难题的主要原因是：对于液体界面处的微观物体，我们所能使用的研究手段是很有限的（比如，常用的电子显微镜和原子力显微镜都很难在液面上开展测量）。
在这项研究中，陈刚课题组首次将同步辐射X射线表面掠入射小角散射技术应用于胶体粒子在气液界面处的自组装研究（如图1所示）。这一方法不但可以原位地跟踪观测胶体粒子在界面内的结构演变过程，同时可以跟踪测量其相对于界面的位置和结构的变化。通过这一研究，研究人员观测到胶体粒子在气液界面处从无序的分散状态，经过多个亚稳态，最后形成稳定的二维六角密排的超晶格结构的过程。在这一过程中，他们意外发现，随着胶体粒子之间相互靠近，它们在液体中的浸润深度（或接触角）发生了变化。这一突破性的发现是之前的研究没有也无法实现的。由于胶体粒子浸润深度的变化，使其周围液面发生形变形成凹面，当相邻粒子之间的凹面相互重叠时会产生毛细力，而这一由液面弯曲形成的毛细力正是导致带相同电荷的胶体粒子之间长程相互吸引的真正原因。为了进一步分析胶体粒子之间的相互作用势，研究人员进行了完整的有限元分析与模拟。至此，一个曾经困扰全世界科学家们将近四十年的谜题得以破解。
该论文中，物质学院2014级博士研究生吴龙龙为第一作者，陈刚为通讯作者，上科大为第一完成单位。该研究得到了国家自然科学基金、上海市科委、上科大启动经费及上海光源的大力支持。
论文链接：
https://www.nature.com/articles/s41467-018-03767-y
图1:X射线表面掠入射小角散射实验布局和原理图
图2: 胶体粒子在界面处的形貌和相互作用力的分析