許多功能材料由域或晶粒組成，其中分子和原子以特定方向重復排列。這種結構對材料性能至關重要。新技術 X 射線線性二向色取向斷層掃描 (XL-DOT) 可以在納米尺度上對這種結構進行 3D 映射。在這里，該技術應用于五氧化二釩催化劑柱，用于生產硫酸。斷層圖中的顏色代表晶粒的不同取向。圖片來源：Paul Scherrer 研究所/Andreas Apseros

近日，瑞士光源(SLS)的研究人員成功開發出一種名為X射線線性二向色取向斷層掃描(XL-DOT)的突破性技術，該技術能夠在納米尺度上揭示材料結構構件的三維排列，為揭示納米級材料結構的3D方向提供了新的見解

XL-DOT技術的首次應用聚焦于多晶催化劑，使科學家能夠直觀地看到影響催化劑性能的關鍵特征，如晶粒、晶界和缺陷。這些特征在催化劑的活性和穩定性中起著至關重要的作用。除了催化領域，XL-DOT技術還為信息技術、儲能和生物醫學等領域中使用的各種功能材料的結構研究提供了前所未有的洞察力。

在材料科學中，微觀或納米結構的排列與材料的特性密切相關，其大小、方向和分布可能意味著一塊堅固的磚和一塊破碎的石頭之間的區別。然而，探測納米級材料組織的技術大多局限于二維或具有破壞性。XL-DOT技術的出現，填補了這一空白。該技術利用瑞士光源SLS產生的偏振X射線，通過改變X射線的偏振并旋轉樣品以從不同角度捕獲圖像，從而創建出材料內部組織的三維圖。

研究團隊將XL-DOT技術應用于一塊直徑約1微米的五氧化二釩催化劑上，成功識別出了催化劑結構中的微小細節，包括晶粒、晶界以及晶體取向的變化等。這些發現對于優化催化劑性能具有重要意義。

XL-DOT技術的高空間分辨率是其另一大亮點。由于X射線的波長較短，該技術能夠分辨出只有幾十納米大小的結構，與晶粒等特征的尺寸一致。這意味著科學家現在可以獲得以前不可見的信息，而且可以在幾微米大小的小而有代表性的樣本中實現這一點。

盡管研究人員早在 2019 年就提出了 XL-DOT 的想法，但將其付諸實踐還需要五年時間。除了復雜的實驗要求外，一個主要障礙是從數 TB 的原始數據中提取晶體取向的三維圖。

該研究的第一作者Andreas Apseros在攻讀博士學位期間開發了一種專用的重建算法，攻克了從數TB的原始數據中提取晶體取向的三維圖這一數學難題。這項研究得到了瑞士國家科學基金會(SNSF)的資助。

研究人員認為，XL-DOT技術的成功開發，部分得益于瑞士光源(SLS)在相干X射線方面的長期專業知識積累。這使得相干小角度X射線散射(cSAXS)光束線實現了前所未有的控制和儀器穩定性，為精確的測量提供了保障。

鑒于XL-DOT技術的非破壞性，研究人員能夠對電池和催化劑等系統進行原位研究。領導這項研究的前cSAXS研究人員、現就職于牛津大學的Johannes Ihli表示：“電池中的催化劑體和陰極顆粒的尺寸通常在10到50微米之間，因此利用XL-DOT技術進行原位研究是一個合理的下一步。”

然而，XL-DOT技術的應用范圍遠不止于此。研究人員強調，這項技術不僅適用于催化劑，更適用于所有具有有序微觀結構的材料，無論是生物組織還是用于信息技術或儲能的先進材料。這意味著，XL-DOT技術將為眾多領域的研究提供新的視角和手段。

在科學動機方面，研究團隊一直致力于探索材料的三維磁性組織。例如，反鐵磁材料內的磁矩方向，其磁矩從一個原子到另一個原子以交替的方向排列，使得這種材料在遠距離測量時沒有凈磁化，但它們在磁結構中確實具有局部有序性。這一特性對于更快、更高效的數據處理等技術應用具有極大的吸引力。德累斯頓馬克斯普朗克固體化學物理研究所組長克萊爾·唐納利指出：“我們的方法是探索這種方向的唯一方法之一。”唐納利自博士期間便與PSI團隊保持密切合作，并在此期間與PSI的同一團隊在《自然》雜志上發表了一種使用圓偏振X射線進行磁斷層掃描的方法(該方法與XL-DOT使用的線性偏振X射線不同)。此后，該技術已在世界各地的同步加速器中實施并得到廣泛應用。

在為XL-DOT技術奠定基礎后，研究團隊希望它也能像圓偏振技術一樣，成為同步加速器中廣泛使用的技術。鑒于XL-DOT技術所涉及的樣本范圍更廣，以及結構排序對材料性能的重要性，這種最新方法的影響可能更為深遠。唐納利補充道：“現在我們已經克服了許多挑戰，其他光束線也可以實施這項技術。我們可以幫助他們做到這一點。”

參考文獻：“晶體學和拓撲缺陷的X射線線性二向色斷層掃描”2024 年 12 月 11 日，《自然》。