新的X射线技术绘制了功能材料的纳米级结构图

研究人员在瑞士光源SLS开创了一种名为X射线线性二向色取向断层扫描的新技术，该技术在三维纳米尺度上探测材料构建块的取向

该技术首次应用于研究多晶催化剂，可以可视化晶粒、晶界和缺陷，这些是决定催化剂性能的关键因素。除了催化作用，该技术还允许对各种功能材料的结构进行以前无法获得的见解，包括用于信息技术、储能和生物医学应用的材料

研究人员在《自然》杂志上介绍了他们的方法

放大天然和人造功能材料的微观或纳米结构，你会发现它们由成千上万个连贯的域或颗粒组成——分子和原子以重复模式排列的不同区域

这种局部排序与材料特性有着千丝万缕的联系。颗粒的大小、方向和分布可以区分坚固的砖和破碎的石头；它决定了金属的延展性、半导体中电子转移的效率或陶瓷的导热性

这也是生物材料的一个重要特征：例如，胶原纤维是由原纤维网络形成的，它们的组织决定了结缔组织的生物力学性能

这些域通常很小：大小为几十纳米。正是它们在扩展体积上的三维排列决定了属性。然而，到目前为止，在纳米尺度上探测材料组织的技术在很大程度上局限于二维或具有破坏性

现在，利用瑞士光源SLS产生的X射线，来自Paul Scherrer Institute PSI、苏黎世联邦理工学院、牛津大学和Max Plank固体化学物理研究所的研究人员合作团队成功创建了一种成像技术，可以在三维空间中访问这些信息

他们的技术被称为X射线线性二向色取向断层扫描，简称XL-DOT。XL-DOT使用瑞士光源SLS的偏振X射线，探测材料如何根据内部结构域的方向不同地吸收X射线。通过改变X射线的偏振，同时旋转样品以从不同角度捕获图像，该技术创建了一个三维地图，揭示了材料的内部组织

该团队将他们的方法应用于直径约一微米的五氧化二钒催化剂块，用于生产硫酸。在这里，他们可以识别催化剂结构中的微小细节，包括晶粒、晶粒相遇的边界和晶体取向的变化

他们还发现了催化剂中的拓扑缺陷。这些特征直接影响催化剂的活性和稳定性，因此了解这种结构对于优化性能至关重要

重要的是，该方法实现了高空间分辨率。由于X射线的波长较短，该方法可以分辨出只有几十纳米大小的结构，与晶粒等特征的大小对齐

PSI和苏黎世联邦理工学院的联合小组Mesoscopic Systems的高级科学家Valerio Scagnoli说：“多年来，线性二色性一直被用于测量材料的各向异性，但这是它第一次被扩展到3D。我们不仅观察内部，而且具有纳米级的分辨率。”

“这意味着我们现在可以访问以前看不到的信息，我们可以在几微米大小的小而有代表性的样本中实现这一点。”

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尽管研究人员在2019年首次提出了XL-DOT的想法，但还需要五年时间才能将其付诸实践。再加上复杂的实验要求，一个主要的障碍是从数TB的原始数据中提取晶体取向的三维图

该研究的第一作者Andreas Apseros在PSI攻读博士学位期间开发了一种专门的重建算法，从而克服了这一数学难题

研究人员认为，他们开发XL-DOT的成功部分归功于长期致力于开发PSI相干X射线的专业知识，这导致了相干小角度X射线散射（cSAXS）光束线前所未有的控制和仪器稳定性：这对精细测量至关重要

这是一个在SLS 2.0升级后将向前发展的领域。Apseros说：“一致性是我们通过升级真正获得的优势。”。“我们正在研究非常微弱的信号，因此有了更多的相干光子，我们将有更多的信号，可以去更困难的材料或更高的空间分辨率。”

一种研究不同材料微观结构的方法

鉴于XL-DOT的非破坏性，研究人员预计将对电池和催化剂等系统进行操作性研究。“电池中的催化剂体和阴极颗粒的尺寸通常在10到50微米之间，因此这是一个合理的下一步，”前cSAXS研究员、目前在牛津大学领导这项研究的Johannes Ihli说

然而，研究人员强调，这项新技术不仅对催化剂有用。它适用于表现出有序微观结构的所有类型的材料，无论是生物组织还是用于信息技术或能量存储的先进材料

事实上，对于研究团队来说，科学动机在于探索材料的三维磁性组织。一个例子是反铁磁材料中磁矩的取向。在这里，磁矩在原子之间交替排列

这种材料在远距离测量时不保持净磁化，但它们在磁结构中确实具有局部有序性，这一事实对更快、更高效的数据处理等技术应用具有吸引力

德累斯顿马克斯·普朗克固体化学物理研究所的组长Claire Donnelly说：“我们的方法是探索这一方向的唯一方法之一。”自从在介观系统小组进行博士工作以来，她一直与PSI的团队保持着密切的合作

正是在这项博士研究中，Donnelly与PSI的同一团队在《自然》杂志上发表了一种使用圆偏振X射线进行磁断层扫描的方法（与使用线偏振X射线的XL-DOT相反）。此后，这一技术已在世界各地的同步加速器中得到应用

随着XL-DOT的基础奠定，该团队希望它能像其圆偏振兄弟一样，成为同步加速器中广泛使用的技术。鉴于XL-DOT涉及的样品范围更广，结构排序对材料性能的重要性，这种最新方法的影响可能会更大

唐纳利补充道：“现在我们已经克服了许多挑战，其他波束线可以实现这项技术。我们可以帮助他们做到这一点。” More information: Claire Donnelly, X-ray linear dichroic tomography of crystallographic and topological defects, Nature (2024). DOI: 10.1038/s41586-024-08233-y. www.nature.com/articles/s41586-024-08233-y

Journal information: Nature