2008年8月2
一个科学家小组已经使用beamline 9.0.1先进光源进行高分辨率的x射线衍射成像的气凝胶首次揭示纳米尺度的三维体晶格结构到功能以纳米,十亿分之一米。
气凝胶,有时被称为“固体烟”,可以用不同的材料做的。亚博网站下载这种硅气凝胶是一种有效的绝缘子。来源:Arlon亨特,劳伦斯伯克利国家实验室
气凝胶,有时被称为“固体烟”或“旧金山雾,“纳米泡沫:固体材料的海绵样的结构是饱受毛孔小至纳米,其力量是惊人的,考虑到他们的低密度。亚博网站下载许多多孔材料是非凡的属性亚博网站下载作为绝缘体,过滤器,催化剂;他们用于生产清洁能源,使窗户甚至服装,研究石油通过岩石的渗流,药物传输系统,甚至缓冲高速彗星在太空碎片的捕捉。
“最小的孔隙大小的关键是多孔材料的强度和他们能做什么,”斯特凡诺Marchesini说ALS科学家亚博网站下载伯克利实验室领导这项研究。“看到里面大部分多孔材料从未做过在这个分辨率,这第一个亚博网站下载x射线衍射的显微镜的应用一个真正的问题。”
团队成员从劳伦斯利弗莫尔国家实验室,加州大学戴维斯分校的亚利桑那州立大学的阿贡国家实验室和伯克利实验室进行x射线衍射成像,在物理评论快报》上公布了研究结果提供给用户在http://link.aps.org/abstract/PRL/v101/e055501。
看到里面的泡沫
研究气凝胶和其他nanofoams的一个方法是用电子显微镜,可以形象只有薄,二维切片通过材料的多孔结构。另一种方法是简单的x射线显微镜,利用区域板块“镜头”;显微镜可以穿透一个样本,但困难维护决议在不同深度的材料。小角x射线散射(粉煤灰)也可以收集粉末状气凝胶的结构信息有限,但一枝不能提供完整的三维信息。这些技术可以捕捉nanofoam样本的三维内部结构以微米,几上百万分之一米。
x射线衍射方法不同的问题。般的x射线通过在整个样本和衍射到CCD探测器屏幕;衍射模式重复存储而示例移动和旋转。一个典型的系列需要大约150的浏览量。
个人的衍射模式是由计算机处理。的光子束被重定向的方式从每个组件的结构是不同的对于每一个方向,和比较他们的强度是组件精确地在三维空间的位置。成千上万的迭代是必需的,在目前的研究中,团队成员的安东小巴蒂•利弗莫尔领导近1亿测量强度的解决方案,而不是10万左右的典型,说,蛋白质晶体学,但最终的结果是一个小样品在纳米级分辨率的三维图像。
泡沫状结构描述互连格子梁和节点相交的地方。这些元素变得生动明显重建三维图像的气凝胶用于成像在肌萎缩性侧索硬化症,这是由乙醇钽、陶瓷材料提出了复合胶囊的氢同位素在利弗莫尔惯性约束聚变实验。
“泡沫状结构的强度和刚度预计规模与密度、单个元素的密度相关的梁和节点的整体密度、“Marchesini说。“但密度低于约10%,气凝胶的强度像的我们测试了- 1%的密度是数量级低于预期。”
的理论,试图解释这一现象,一个是“渗透”的模式,在片段成为脱离承载结构和增加质量没有贡献力量。替代“异物”模型提出结构日益充斥着微米大小的漏洞和缺陷更容易扣。
第三种理论是“集群扩散限制聚集”模式:blob的物质积累薄连接的链接,而不是节点之间坚固的光束。
“我们实现的高分辨率允许我们看到的这些模型更准确地描述实际观察到的结构,“Marchesini说。看到里面的泡沫,团队能够看到到底是结构化的,和每个组件的形状和尺寸。“结构更复杂的比我们之前看过的图片获得使用此技术。”
的团队观察到他们的3 d画面乙醇钽气凝胶是一种“blob-and-beam”结构与第三个模型一致,集群的扩散限制聚集。解释观察到的结构相对较弱的低密度材料,还建议改变气凝胶的制备方法可能会提高他们的实力。
在未来
“我们想使用x射线衍射研究一系列多孔材料和纳米结构在一般情况下,例如多孔聚合物分子铸造研制的用于存储氢作为燃料,在更高的分辨率亚博网站下载,“Marchesini说。”,大卫·夏皮罗,他建立了端站我们用于这项工作,正在与我们克服一些障碍。”
一个是时间。目前,每个样品需要几个月的工作。准备,实验后首先需要安装的一个或两天,旋转,x射线和暴露样本,每查看一分钟——因为慢探测器——150年的观点。有跟随周的计算时间。“这一切之后,你可以找到示例没有很好,所以你必须重新开始,“Marchesini说。
改进的样品处理,更快的探测器,和一个beamline致力于x射线衍射是主要目标。相干散射和衍射显微镜(宇宙)设施,ALS战略计划的首要任务,将提供强烈的连贯和全极化控制x射线。
“我们也与伯克利实验室的计算研究部门合作开发高效、健壮的算法来加快构建3 d图像所需的时间从个体旋转视图,“Marchesini说。“这将打开整个光谱的新方法的可能性不仅看到非常小——气凝胶几乎任何未知的对象,从纳米结构生物细胞。”
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