科学家观察斑点如何形成晶体，并发现了一种新的晶体类型

晶体——从糖和食盐到雪花和钻石——并不总是以一种简单的方式生长。纽约大学的研究人员在《自然通讯》上发表的一项新研究中捕捉到了从无定形斑点到有序结构的这一过程。

在探索晶体如何形成的过程中，研究人员还发现了一种以前从未被发现过的不寻常的杆状晶体，为发现它的纽约大学研究生命名为“Zangonite”。

混沌中的秩序

晶体是由以重复模式排列的粒子组成的固体材料。这种自组装过程——正如研究人员所描述的那样，“从混乱中编排秩序”——曾被认为遵循一种可预测的经典增长模式。但是，科学家们正在了解，晶体可以通过更复杂的途径生长，而不是总是一个接一个地形成构建块。

为了研究晶体的形成，一些研究人员使用由称为胶体粒子的小球组成的晶体，胶体粒子很小，但比构成其他晶体的原子大得多。

纽约大学化学教授Stefano Sacanna说：“研究胶体粒子的优点是，我们可以在单个粒子水平上观察结晶过程，这对原子来说很难做到，因为它们太小太快。使用胶体，我们可以用显微镜观察晶体的形成。”。

纽约大学的研究人员发现了一种新的晶体——一种杆状、中空、低密度的结构，如图所示，在实验和模拟中——为发现它的纽约大学研究生命名为“臧铁矿”。来源：臧世豪/NYU一个两步过程

为了阐明胶体晶体是如何形成的，研究人员进行了实验，仔细观察带电胶体颗粒在不同生长条件下从盐水悬浮液过渡到完全形成的晶体时的行为。该团队还进行了数千次计算机模拟——由纽约大学化学助理教授格伦·霍基领导——以模拟晶体的生长方式，并帮助解释他们在实验中观察到的现象。

研究人员确定，胶体晶体是通过两步过程形成的：无定形颗粒首先凝结，然后转化为有序的晶体结构，从而形成各种晶体类型和形状。

一个意想不到的发现

在这些实验中，博士生臧世浩偶然发现了一个他无法识别的杆状晶体。肉眼看，它看起来像以前在实验室中发现的晶体，但经过仔细检查，颗粒的组合是不同的，这种晶体的尖端包含中空通道。臧将未知的结构与自然界中发现的一千多个晶体进行了比较，但仍然找不到匹配的晶体。

通过实验和计算机模拟，纽约大学的研究人员研究了晶体如何从无定形团块形成高度有序的结构。图片来源：臧世豪/纽约大学

研究人员转向霍基的计算机建模，模拟了一个完全相同的晶体，使他们能够更详细地研究其细长的中空形状。

“这令人费解，因为通常晶体是致密的，但这个晶体有贯穿晶体长度的空通道，”Hocky说，他也是纽约大学西蒙斯计算物理化学中心的教员。“通过实验和模拟的协同作用，我们意识到这种晶体结构以前从未被观察到，”Sacanna补充道。

他们根据其成分将新发现的晶体命名为L3S4，但鉴于臧发现了它，他们在实验室会议上开始非正式地称之为“臧岩”。这个名字一直沿用至今。臧说：“我们研究胶体晶体是为了模拟原子晶体的真实世界，但我们从未想过我们会发现一种在现实世界中找不到的晶体。”。

纽约大学博士生臧世豪。图片来源：David Song/纽约大学科学家们正在学习晶体可以通过更复杂的途径生长，而不是总是一个接一个地形成构建块。图片来源：臧石浩/纽约大学

臧岩的发现为探索中空低密度晶体的用途创造了机会，并可能为寻找更多新晶体铺平道路。Hocky说：“藏岩内部的通道类似于其他材料中的特征，这些特征可用于过滤或封闭其中的东西。”。Sacanna说：“以前，我们认为观察到新的晶体结构是罕见的，但我们可能能够发现尚未被表征的其他新结构。”。

更广泛地说，对晶体如何形成的更深入理解有望开发新材料，包括作为激光器、光纤电缆、太阳能电池板和其他传输或收获光的技术基础的光子带隙材料。

该研究的其他作者是Sanjib Paul、Cheuk Leung、Michael Chen和Theodore Hueckel。p