与晶体原子和离子固体不同，由于胶体晶体中晶体择优生长而导致的织构发展的研究较少。
在此，来自美国弗吉尼亚理工大学的Ling Li & 哈佛大学的Joanna Aizenberg等研究者，通过实验、模拟和理论分析研究了蒸发诱导的胶体组装过程中结构演化的基本机制。相关论文以题为“Microscopic origins of the crystallographically preferred growth inevaporation-induced colloidal crystals”发表在Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America上。https://www.pnas.org/content/118/32/e2107588118
与原子晶体类似，胶体晶体是由大小从100纳米到几微米的胶体粒子形成的高度有序结构。除了光学、传感和催化等工程应用，胶体晶体也被用作模型系统来研究晶体统计力学和力学行为的一些基本过程。根据粒子间相互作用的性质，研究者探索和发展了许多平衡和非平衡胶体自组装过程。其中，蒸发诱导胶体自组装，具有制造尺寸大、多用途、成本和时间效率高等优点。在典型的合成中，基质垂直或以一定角度浸入胶体悬浮液中，胶体粒子被蒸发诱导的流体驱动到半月板上，然后自组装形成一个具有面心立方(fcc)晶格结构和平行于衬底的密排{111}平面的胶体晶体(合成装置的原理图见图1A)。虽然，以前的研究集中在利用组装的胶体结构进行不同的应用，但在理解这一过程中的自组装机制本身方面的努力却少得多。尤其是，尽管使用“胶体晶体”这一术语来强调微观结构的长程有序(类似于原子晶体)，但人们对胶体晶体在自组装过程中的晶体演化知之甚少。在蒸发诱导的胶体晶体中，沿着<110>封闭方向优先生长，这一令人困惑但普遍观察到的现象的潜在机制目前尚不清楚。<110>的生长方向已经在各种粒子化学、蒸发速率和基质材料的许多过程中观察到，暗示了这是一个普遍的潜在机制。这种行为特别有趣，因为胶体粒子预计会平行于半月板紧密堆积，这将导致沿着<112>方向和垂直于<110>方向的生长。在合成系统、生物矿物和地质晶体的晶体原子固体中，通常可以观察到沿着特定晶体方向的优先生长，也称为织构发育。虽然目前的知识意识到诸如定向成核的机制，这些机制定义了未来生长晶体的晶体取向和原子晶体的竞争性生长，但胶态晶体结构发展的基本原理仍然难以捉摸。以往基于方向依赖的生长速度和溶剂流动阻力的假设不足，以对不同的蒸发诱导胶体自组装过程提供统一的解释。为了更好地理解胶体自组装过程中的晶体择优生长，可以为原子、离子和分子系统中的晶体生长提供新的思路。此外，对自组装过程的机械理解将允许更精确地控制晶格类型、晶体学和缺陷，以改善胶体组装结构的性能和功能。
在这里，为了研究与组装过程相关的晶体学特征，研究者首先利用蒸发诱导的胶体共组装路线作为模型系统。在这种广泛使用的获取大面积胶体晶体的方法中，胶体粒子通过溶剂或基质前驱溶液的蒸发被驱动到半月板上，在那里它们紧密堆积形成面心立方胶体组合。通过二维大面积晶体映射，表明初始晶体取向是由粒子与半月板的相互作用决定的，从而导致了与局部半月板几何形状紧密排列的预期方向。通过结合单粒子水平的晶体结构分析，研究者进一步揭示，在自组装的后期阶段，胶体晶体在几何必要位错(GNDs)的作用下逐渐旋转，形成了垂直于半月板、平行于生长方向的密集排列方向的大面积均匀晶体取向。经典滑移分析、基于有限元的力学模拟、计算胶体组装模型和连续介质理论明确地表明，这些滑移是由于胶体晶体在干燥过程中受到约束收缩而产生的沿半月板方向的拉应力场。在单个晶粒内产生具有特定滑移系统的GNDS，导致晶体旋转以适应机械应力。
综上所述，研究者通过综合实验、理论和模型分析，揭示了蒸发诱导法合成的胶体组合生长为<110>方向的大面积fcc晶体的独特特性的基本机理。研究结果明确表明，虽然初始成核形成了一个多晶区域，其畴紧密排列平行于半月板线，但由于几何必要位错(GNDs)的存在，会出现逐渐的晶内旋转，这是由干燥诱导的机械应力场产生的。虽然原子晶体的GND特性可以用连续统理论很好地描述，但该研究结果也表明，与原子晶体不同，纹理发展的两种主要机制，即外延形核和依赖取向的生长，不是蒸发诱导的胶体晶体中<110>生长的主要机制。这里所报道的机制理解，可以用来控制胶体组合的晶体特征，并可能为合成晶体、生物晶体和地质晶体的晶体优选生长提供进一步的见解。（文：水生）
