借助強大的 X 射線束技術，研究人員探索了使牙膏和發(fā)膠等柔軟材料放松的原因。他們獲得的見解可以幫助設計新的消費產品和納米技術。

從化妝品吸管中滴下凝膠的特寫照片。凝膠是一種軟質材料。這些材料很容易因應力而變形。了解影響他們放松方式的動態(tài)是一個活躍的研究領域。(圖片來源：Shutterstock/Anastasiya Shatyrova。)

剃須凝膠、洗發(fā)水和一杯酸奶。他們都有什么共同點?它們都是軟材料的例子，這意味著材料在施加壓力時很容易改變形狀。

在日常生活中，軟質材料無處不在。牙膏、護膚霜、紙巾和涂料只是其中的幾個例子。在壓力下，軟材料能夠由于其顆粒的微小波動而改變形狀，這些波動是動態(tài)的。這個過程“放松”是隨機發(fā)生的，而且規(guī)模太小，科學家無法輕易確定。但是在位于美國能源部 ( DOE ) 的阿貢國家實驗室的美國能源部 ( DOE ) 科學辦公室用戶設施高級光子源 ( APS ) 的幫助下，研究人員正在更好地了解這些材料。

在最近發(fā)表的兩篇論文中，兩個獨立的研究團隊在APS成功地使用了強大的 X 射線束技術，以揭示有關軟材料動力學的新見解。他們學到的信息可能有助于設計和開發(fā)各種消費品，包括冰淇淋和明膠甜點等食品;個人護理用品，如保濕霜和洗發(fā)水;電池;用于制造的油漆、泡沫和塑料;甚至是構成藥物輸送涂層和系統(tǒng)的納米技術。

“了解軟材料的動力學很重要，因為我們相信它們對我們想要控制的特性(例如粘度和彈性)具有直接而深遠的影響。這些特性控制著凝膠的柔軟度或材料流動的速度等因素，”兩篇論文的合著者、阿貢助理物理學家張慶騰說。

研究人員如何利用 X 射線的力量

兩項研究使用的 X 射線束技術被稱為 X 射線光子相關光譜 ( XPCS )。像它這樣的技術使科學家能夠在分子和原子尺度上探測各種材料的形式和功能。

XPCS旨在揭示小至人類頭發(fā)直徑的區(qū)域的微觀動力學。他們可以捕捉到動態(tài)如何隨著時間的變化而變化，從百萬分之一秒到幾個小時。

在此過程中，材料會暴露在 X 射線束中。當 X 射線束從樣品中的移動粒子反彈時，這些 X 射線的特性(例如它們的行進方向)會發(fā)生變化。然后，研究人員可以檢測到這些變化并使用它們來計算材料中的粒子在不同長度上移動的速度，進而了解它們的結構動力學。

水凝膠中的應力松弛

阿貢和麻省理工學院 ( MIT )的科學家在美國國家科學院院刊上發(fā)表了一項使用XPCS的研究。在這里，該技術用于評估水凝膠。

該研究的合著者、麻省理工學院教授加雷斯·麥金利 (Gareth McKinley) 說： “你可以通過兩種方式來看待動態(tài)，或者事物如何隨時間變化——小規(guī)模和大規(guī)模。”“在我們位于麻省理工學院的實驗室中，我們使用稱為流變儀的機械儀器來觀察更大規(guī)模的變化，然后將其與APS的XPCS相結合，以了解微觀層面的動力學。”

為了全面了解水凝膠的動力學，研究人員探索了水凝膠在有和沒有外部機械應力的情況下的動力學。這有助于揭示材料的小規(guī)模和大規(guī)模變化之間的聯(lián)系。

“ XPCS幫助我們了解了軟凝膠材料內部發(fā)生的微觀重排，尤其是在存在機械應力的情況下。這對設計軟材料具有影響，從用于藥物輸送和細胞培養(yǎng)的水凝膠，到用于消費品的乳液和糊劑，”該研究的主要作者、麻省理工學院研究生 Jake Song 說。

界面處的軟材料松弛

另一項由 Argonne、美國能源部勞倫斯伯克利國家實驗室 (Berkeley Lab) 和馬薩諸塞大學 ( UMASS ) Amherst的科學家在ACS Nano上發(fā)表的研究也利用XPCS來了解軟材料。但在這種情況下，研究人員正在研究一種由油和水組成的混合物。

在兩種液體的表面之間，研究人員放置了非常細小的顆粒，稱為納米顆粒。在這個位置，粒子可能會堵塞，或者變得更緊密，并結合形成固體狀結構。當干擾生效時，研究人員使用XPCS來測量動力學。

“最終，我們從XPCS獲得的結果是更好地了解系統(tǒng)動力學如何緩和干擾，這是我們未來可以用來制造以特定方式運行的液體結構的見解，”共同作者 Tom Russell 說，伯克利實驗室的訪問科學家和麻省大學阿默斯特分校的教授。

APS X 射線工具的未來

隨著APS目前正在進行重大升級，科學家們有可能在未來從XPCS等技術中獲得更多收益。

升級后的APS將大大提高 X 射線束的相干性，這意味著射線波前的同步程度，這種特定技術將因此提高多達一百萬倍。

“這些升級將極大地擴展我們未來可以用這種技術測量的材料類型，”張說。“看到APS在未來幾年可以實現的新科學將是令人興奮的。”

“水-油界面納米球組件的松弛和老化”于 2022 年 6 月 6 日在A CS Nano 上發(fā)表。這項研究得到了美國能源部科學辦公室基礎能源科學辦公室以及國家科學局的支持科學研究生研究計劃基金會和能源部辦公室。

2022 年 7 月 19 日在線發(fā)表在《美國國家科學院院刊》上的“被捕軟材料應力松弛的微觀動力學” 。這項研究得到了美國國家科學基金會、美國陸軍研究辦公室和DOE的支持。

關于高級光子源

美國能源部科學辦公室位于阿貢國家實驗室的先進光子源 ( APS ) 是世界上生產力最高的 X 射線光源設施之一。APS為材料科學、化學、凝聚態(tài)物理、生命和環(huán)境科學以及應用研究領域的多元化研究人員社區(qū)提供高亮度 X 射線束。這些 X 射線非常適合探索材料和生物結構;元素分布;化學、磁性、電子狀態(tài);以及從電池到燃料噴射器噴霧的各種技術上重要的工程系統(tǒng)，所有這些都是我們國家經濟、技術和身體健康的基礎。每年，超過 5,000 名研究人員使用與任何其他 X 射線光源研究機構的用戶相比，APS制作了 2,000 多篇詳細介紹有影響力的發(fā)現的出版物，并解決了更重要的生物蛋白質結構。APS科學家和工程師創(chuàng)新技術，這是推進加速器和光源操作的核心。這包括產生被研究人員珍視的極亮 X 射線的插入設備、將 X 射線聚焦到幾納米的透鏡、最大限度地提高 X 射線與正在研究的樣本相互作用的方式的儀器，以及收集和管理APS發(fā)現研究產生的大量數據。

這項研究使用了先進光子源的資源，這是美國能源部科學辦公室用戶設施，由阿貢國家實驗室根據合同編號DE-AC02-06CH11357為美國能源部科學辦公室運營。阿貢國家實驗室尋求解決緊迫的國家科學技術問題。作為美國第一個國家實驗室，Argonne 在幾乎所有科學學科中開展前沿的基礎和應用科學研究。阿貢的研究人員與來自數百家公司、大學以及聯(lián)邦、州和市政機構的研究人員密切合作，幫助他們解決具體問題，提升美國的科學領導地位，并為國家創(chuàng)造更美好的未來做好準備。Argonne 擁有來自 60 多個國家/地區(qū)的員工，由美國能源部科學辦公室的UChicago Argonne, LLC管理。

美國能源部科學辦公室是美國物理科學基礎研究的最大支持者，致力于解決我們這個時代最緊迫的一些挑戰(zhàn)。