看顶刊如何用SAXS—Nature 610, 674–679 (2022)：胶体晶

论文题目：Shape memory in self-adapting colloidal crystals

期刊|卷|页码：Nature volume 610, pages674–679 (2022)

通讯作者：Chad A. Mirkin

可重构的机械响应晶体材料是传感、软体机器人、能量转换与存储等领域的核心组件。晶体材料在多种刺激下易发生形变，其可恢复形变程度与键合类型密切相关。事实上，仅靠静电相互作用维持的结构仅能承受微小形变；而通过分子键结合的结构原则上可承受更大形变并更易恢复初始构型。本研究系统探究了DNA编程构筑的规则多面体胶体晶体的形变特性。这些晶体具有超大尺寸（>100微米）和体心立方（bcc）结构，其粘弹性体积分数高达97%以上，因而可被压缩成带有褶皱与折痕的不规则形态。值得注意的是，这些变形晶体在复水后数秒内即可恢复初始的完美晶体形貌与纳米级有序结构——这对大多数晶体而言通常会造成永久性损伤。胶体晶体的显著结构变化伴随着可逆的光学特性改变：原始结构与恢复后的晶体在紫外-可见光区表现出近乎完美（>98%）的宽谱吸收，而变形晶体的反射率显著提升（特定波长下可达入射光的50%），这主要源于其折射率与非均匀性的增加。

实验光源: Argonne National Laboratory

实验线站：12-ID-B

波长/能量：1.2 Å 

探测器：

a, A single crystal mounted on a fibre loop. b, Tilt motor to orient the crystal. c, Y-axis control motor. d, X-axis control motor. e, X-ray beam collimator.

1. SAXS的核心作用

SAXS（小角X射线散射）在该研究中用于解析胶体晶体的长程有序结构和形变过程中的结构演变，具体贡献如下：

晶体对称性确认：SAXS图谱显示衍射峰与体心立方（bcc）结构（空间群 Im-3m）模拟结果匹配（Extended Data Fig. 1b,c），证实了DNA修饰纳米颗粒（PAEs）组装的有序性。

形变过程中的结构变化：脱水状态：SAXS显示高阶衍射峰（如(440)、(420)）消失，仅保留(110)峰（Fig. 3a），表明脱水导致晶体近非晶化（paracrystalline state）。

复水恢复：高阶衍射峰重现，证实晶体结构和纳米级有序性快速恢复（Fig. 3a）。

晶胞参数定量：SAXS结合单晶X射线衍射（SXRD）测得脱水前后晶胞参数变化（5 nm PAEs晶胞从221 Å收缩至164 Å；10 nm PAEs从286 Å收缩至189 Å）（Extended Data Fig. 7），揭示DNA键的弹性允许大幅可逆形变。

Extended Data Fig.1 a, Melting temperature curves for solutions of A and B-type PAEs. A cooling rate of 0.1 °C/120 min was applied over the crystallization temperature range (shaded region) that encompasses the aggregation temperatures of the PAEs. b,c, SAXS patterns of BCC crystals (b) with 5-nm PAEs and (c) with 10-nm PAEs. In case of the crystals prepared with 5-nm PAEs, a smaller fraction of the crystals that have a slightly larger unit cell parameter, 292.9 Å, were detected in the diffraction profile. The two phases are likely to occur during crystallization owing to the polydispersity of the 5-nm particle cores. Size exclusion occurs more readily during crystallization of the 5-nm PAEs compared to the 10-nm PAEs, as a result of the larger relative size difference between small and large particles in the 5-nm batch. This is a well-documented behaviour for this class of materials.

Fig. 3 | Deformation and recovery behaviour of crystals characterized with single-crystal X-ray diffraction. 

Extended Data Fig. 6: Single crystal X-ray diffraction data of a crystal assembled with 10-nm PAEs.

Extended Data Fig. 7: Three-dimensionally reconstructed diffraction patterns of the crystals during a deformation and recovery cycle.

SAXS作为结构表征手段，通过多尺度关联（从纳米级晶胞变化到宏观力学/光学响应），揭示了分子键设计对晶体智能形变行为的调控机制，为开发新型刺激响应材料提供了关键依据。通过SAXS数据与多尺度表征的关联，系统论证了DNA编程晶体的动态可逆性机制。