人类可视的物质世界的实体结构主要有两大类：第一类是由原子或分子按一定的规则有序排列而成的称之为晶体结构的物质（图1a）；第二类是由原子或分子无序（混乱）堆砌而成的称之为非晶态结构的物质（图1b）。对第一类晶体结构的物质，因其千奇百态的晶体结构变化而带给人类的物质赋有变化万千的物理、化学或力学性能，最为典型的是我们日常所熟知的碳，其晶体结构有石墨型、金刚石型。前者还具有其独特和奇异性能的结构变种C60、碳纳米管和石墨烯（图2a、b和c），金刚石则也是大家所熟悉的自然界最硬的材料或最珍贵的珠宝（图2d）。

图1. 固体物质的晶态（a）与非晶态结构（b）

图2. 碳的几种结构：石墨（a）、C60（b）、碳纳米管（c）、石墨烯（d）和金刚石（e）

　　然而，即使到了科技水平发展较高的现代，人类对物质如何在给定条件下从原子或分之尺度上自行构造奇妙的晶体结构的方式还知之甚少。其中的一个主要的技术困难是直接控制和观察单个原子或分子的运动方式及与其周围其它原子分子间的作用。因此，从原子或分子尺度上直接观察研究组成物质的原子或分子运动行为并对其操纵也一直是凝聚态物理研究者所极力追求实现的。

　　大自然的巧夺天工不仅给人类带来了绚丽多彩的世界，而且给予了人类更多的启发。例如，在众多的贵重宝石中，一种奇特的天然变彩宝石－蛋白石(opal) 就是大自然的杰作，这种宝石在光照下转动时可显示出美丽的色彩（图3a）。因此而引起人们对此强烈的好奇之心。早在上世纪五、六十年代，澳大利亚的科学家Sander等人就曾在Nature等杂志上发表过多篇对天然蛋白石的结构与发光机制研究的文章。蛋白石实际上是一种具有独特的光学、几何及物理性能的特殊晶体－胶体晶体（图3b）——也称为光子晶体。一直到上世纪的九十年代初，美国科学家才在实验室条件用自组装方法获得由两种不同直径胶体球组成二元的复合胶体晶体。一方面，胶体晶体所具有的独特光学性质而有许多重要的应用价值；另一方面，自组装形成晶体结构的机制与原子分子体系的有多方面的相似或可类比性，但前者的形成过程明显慢化及能够用光学技术可视化，从而可用其研究理解原子分子体系的晶体形成和生长过程。因而这些引起众多科学家起越来越多的研究兴趣。

图3. 天然蛋白石及其结构（a、b）、甲虫壳上的天然光带隙（c）、自组装形成的单组分胶体晶体（d、e）、AB2型（f）及AB（氯化钠）型（g）二元复合胶体晶体【PNAS2009-106-16063】