Observation of the formation process of spherical colloidal clusters.

球形胶体团簇形成过程的观察。

基本信息

批准号：
22KJ2807
负责人：
大貫良輔
金额：
$ 1.09万
依托单位：
Tokyo University of Science
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2023
资助国家：
日本
起止时间：
2023-03-08 至 2024-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

2022年度の研究実施計画に基づき、蒸発過程における球状コロイドクラスターの結晶化の様子の直接観察を行った。そのために、倒立顕微鏡を用いて、3つの照明条件下で観察するシステムを構築した。明視野照明下では液滴からの反射の様子を観察することができ、結晶化のタイミングや結晶構造を判断することができる。例えば、液滴の中心に小さな反射スポットが現れるのはオニオン構造であり、三角形の反射形状は正二十面体構造の特徴である。暗視野照明下の観察は、明視野照明下では拾うことができなかった斜め方向の反射を観察するために実施した。蒸発過程中の液滴の一連の観察より、始めに液滴の界面から結晶化し、オニオン構造の特徴である反射スポットが観察された。その数分後に、今度は内部から結晶化が起こり、正二十面体、十面体、FCC単結晶構造のいずれかの反射パターンに切り替わることが分かった。すなわち、内部の結晶化において正二十面体や十面体、FCC単結晶構造を分岐させていることが示唆される。また、透過照明下での観察では液滴の収縮速度を解析できるため、結晶化が生じる粒子の体積充填率を計算できる。その結果、0.45から0.50付近の充填率において結晶化が生じることが分かった。以上のように、目的の一つであった球状コロイドクラスターの形成過程を観察する光学系の準備は整っており、少しずつ観察および解釈が進んでいる。また、形成過程の直接観察における構造を把握するうえで重要となる各構造の光学特性についても研究を行った。特にこれまで明らかにされていない十面体構造の光学特性について詳細に調査した。十面体構造のクラスターは雫状や半月状の反射パターンがクラスターの向きに依存して観察され、結晶ドメインの境界部分でより長波長の光を反射する。この境界部の反射はHCP構造からの反射であることを実験的および理論的に見出した。

根据2022年研究实施计划，我们直接观察了蒸发过程中球形胶体团簇的结晶。为此，我们在三种照明条件下使用倒置显微镜构建了观察系统。在明场照明下，可以观察液滴的反射，并可以确定结晶的时间和晶体结构。例如，液滴中心出现的小反射点是洋葱结构，三角形反射形状是二十面体结构的特征。进行暗视野照明观察是为了观察在明视野照明下无法观察到的斜反射。对蒸发过程中液滴的一系列观察表明，结晶首先发生在液滴界面，并观察到洋葱结构特征的反射点。几分钟后，结晶从内部发生，反射图案转变为二十面体、十面体或FCC单晶结构。换句话说，表明二十面体、十面体和FCC单晶结构在内部结晶过程中是支化的。此外，在透射照明下观察可以分析液滴的收缩率，从而可以计算正在结晶的颗粒的体积填充率。结果发现，在填充系数为0.45～0.50左右时发生结晶化。如上所述，作为我们的目标之一的用于观察球形胶体簇形成过程的光学系统已经准备好，并且观察和解释正在逐步进行。我们还研究了每种结构的光学特性，这对于通过直接观察形成过程来理解结构非常重要。特别是，我们详细研究了迄今为止尚未阐明的十面体结构的光学性质。对于具有十面体结构的团簇，根据团簇的方向观察到水滴形或半月形的反射图案，并且较长波长的光在晶域的边界处被反射。我们通过实验和理论上发现，该边界处的反射来自 HCP 结构。