胶体晶体自组装缺陷的原位动态三维显微成像研究

In the field of colloidal crystal from self-assembly, the key problem is how to control the defects to fabricate ordered colloidal crystal with large area. Nowadays the methods always have limitation in in-situ dynamic characterization of the local structure of colloidal crystal in three dimension. The third-generation synchrotron radiation X-ray possesses high penetration, high flux and quasi-coherence, with distinctive advantages in in-situ, noninvasive and dynamic imaging. Using its phase contrast, the three-dimensional imaging of samples from low Z elements could be also realized. With synchrotron radiation X-ray phase-contrast imaging, this project will research the growth kinetics of different kinds of defects and their influence on the whole assembly process and combining with the phase-contrast CT quantitatively analyze the interior and external defects of the three dimensional colloidal crystal. Put forward the mechanism of self-assembly defects and provide a research method for controlling defects and optimizing the quality of three-dimensional colloidal crystals. The study will adopt the surface deposition method, by introducing the coordiated parameters of environmental pressure and temprature to control the evaporation speed,analyze the kinetical process of nucleation and growth, loacal sphere transfer and evolution of the array structure, and discuss the mechanism of pressure for restraining the defects and stabilizing the self-assembly structure including the mechanism of convectional assembly under this control. That will provide an important experimental and theoretical basis for controllable three-dimensional colloidal crystals with large area.

如何控制缺陷是胶体晶体大面积有序自组装的关键，目前在胶体晶体缺陷的原位、动态及三维局域结构研究中尚缺乏有效手段。第三代同步辐射X射线具备高穿透性、高通量、准相干等特点，在样品原位、无损、动态成像中具有独特的优越性，利用其相位衬度还可实现低Z元素样品的三维成像。本项目拟采用同步辐射X射线相位衬度成像方法，原位系统地研究胶体晶体自组装中不同种类缺陷的生长动力学过程及其对整个组装过程的影响，结合相衬CT对三维胶体晶中的本征缺陷和外因缺陷进行量化分析，进而研究自组装缺陷产生的机理，为控制缺陷和优化三维胶体晶质量探索一种有效的研究手段。拟采用表面沉积法生长胶体晶体，引入改变环境压强结合温度，进而控制蒸发速度的方法，研究胶体晶的成核生长、局域微球传输、阵列结构演化等动力学过程，着重研究压强在抑制缺陷和稳定组装结构方面的机制及其控制下的对流自组装机理。为制备大面积结构可控的三维胶体晶提供理论和实验依据。

缺陷控制是胶体晶体大面积有序自组装的关键，目前在胶体晶体缺陷的原位、动态及三维局域结构研究中尚缺乏有效手段。本研究项目建立了同步辐射X射线成像在胶体晶体研究中的原位相衬成像方法，解决了胶体乳液系统原位二维动态成像衬度差的问题，成功观察到乳液中的微球运动，确定了相衬CT成像参数和定量分析方法，解决了传统方法在胶体晶体原位、无损、动态及三维结构表征方面的问题。通过同步辐射X射线二维动态相衬成像观察胶体晶在自组装中的微球运动，研究自组装过程、缺陷的生长发展动力学及其对胶体晶体三维结构的影响，通过对相衬CT得到的胶体晶三维结构进行定量数据分析，讨论自组装机理。研究表明，表面沉积法制得的胶体晶体三维结构分为两个部分，分别是fcc型六方多畴结构和短程六\四方长程随机结构，完善了组装机理，进而提出对于表面沉积组装PS胶体晶体可以在第二组装阶段调节蒸发速率或乳液体积分数的方法以改进组装阵列结构的有序度。提出了浮力表面沉积的自组装方法，通过混合溶剂EG和水调节降低沉积速度至0.2mm/h以下，使胶体晶孔隙率达到27.49%，研究发现，首层球有序度和微球的传输速度对胶体晶的有序度有重要影响，相较于重力沉积法，浮力沉积中成核动力为毛细管力，有效促进了首层球作为组装模板的紧密堆积，同时通过混合溶剂可以对沉积速度进行控制，因此浮力作用下的微球传输和组装过程更加稳定，孔形状规则。研究讨论了温度压强协同控制蒸发时，对组装过程的稳定和缺陷抑制机制。上述研究结果以第一标注发表第一作者文章两篇。