對于許多應用來說，通過賦予材料特定的納米級結構，可以使其效率大大提升。不需要復雜程序就能自行組織創造出所需結構的材料尤其令人感興趣。來自漢堡大學、德國電子同步加速器中心（DESY）、歐洲同步輻射設施ESRF和慕尼黑路德維希-馬克西米利安大學的一個研究小組現在已將注意力轉向這種自組織。

利用一系列不同的X射線技術，科學家們觀察到了微小的氧化鈷晶體的形成，其直徑僅有幾納米，并觀察到這些晶體在形成過程中連接起來，產生均勻的組合。

該研究小組在《自然-通訊》雜志上報告了其結果("X射線研究在氧化鈷集合體的出現過程中連接了分子和宏觀長度尺度")。

來自同步輻射源(中心)的X射線被物質衰減(吸收)和偏轉(散射)。

來自同步輻射源(中心)的X射線既被物質衰減(吸收)又被物質偏轉(散射)。根據特定的X射線技術所測量的這些相互作用，科學家可以得出關于納米材料形成過程的不同階段的結論。通過結合X射線吸收和X射線散射，所有不同的步驟都可以被解讀出來，從起始材料(左)到最終組裝的納米結構(右)。(圖片: 自然通訊)

納米材料有一些特殊的性能，使它們在許多應用中比傳統材料更有效。例如，納米顆粒作為高效的催化劑，即使它們所組成的材料具有低催化活性。它們潛力的一個重要來源是在納米尺度上可以想象到的各種形狀和材料組合。

然而，將這些納米結構組裝成特定的配置可能是一個繁瑣的過程。這就是為什么科學家們特別關注那些在沒有任何外界影響的情況下自行形成復雜結構的納米晶體，例如通過自我組裝。這增加了它們在重要技術應用中的有效性，如綠色能源生產或傳感器技術。

"來自德國電子同步加速器中心和漢堡大學的Lukas Grote解釋說，他是這項研究的主要作者之一，這項研究也得到了卓越集群 "CUI。該研究也得到了 "CUI：物質的高級成像 "卓越集群的支持。"然而，我們現在想了解它們為什么會這樣做，以及它們在到達最終配置的路上經歷了哪些步驟。為了做到這一點，我們正在使用高強度的X射線，實時監測納米材料的形成。" 這些實驗是在德國電子同步加速器中心的PETRA III X射線源和ESRF進行的。

"然而，納米材料的形成通常是一個復雜的過程，"漢堡大學混合納米結構中心(CHyN)的教授Dorota Koziej指出。"這就是為什么沒有一種單一的X射線方法能夠研究形成過程中的所有不同步驟。對于每一個步驟，你必須應用正確的技術，然后你把單個的結果放在一起，產生一個整體的畫面。"

當X射線穿過物質時，它們既被衰減(吸收)又被偏轉(散射)。這兩個過程可以分別觀察，并且可以從中得出關于納米材料生長過程中不同階段的結論。X射線吸收光譜學研究X射線被吸收的不同程度，這取決于它們的波長，并且可以檢測分子中的化學變化。因此，這種技術揭示了納米結構的起始材料被轉化的各個步驟，甚至在納米晶體形成之前。

從最小的納米晶體形成并開始生長的那一刻起，X射線被材料散射的方式就發生了變化。"光波的疊加，或干涉，導致某些方向的光比其他方向的光偏轉得更多。然后我們可以利用這種X射線散射來計算氧化鈷納米晶體的形狀和大小是如何演變的，"來自漢堡大學的主要作者之一Cecilia Zito解釋說，他現在在巴西的圣保羅州立大學工作。

"來自慕尼黑路德維希-馬克西米利安大學(Ludwig Maximilian University of Munich)的基利安-弗蘭克(Kilian Frank)也是該研究的主要作者，他補充說："這也使我們能夠觀察到納米晶體如何相互附著，也就是說，獨立組裝以形成新的和更復雜的結構。

"盡管如此，弄清納米材料的藍圖仍然是一個巨大的挑戰。每個化合物都是不同的，我們還沒有理解自組裝過程中的許多途徑，"格羅特說。然而，相關的科學家們相信，這種情況很快就會改變。Koziej說："最終，我們正在尋找一個整體模型，可以用來解釋和預測復雜的納米結構是如何產生的，"。"這樣，我們將學習如何最好地操縱納米尺度的動態過程，并最終充分開發這些定制的納米材料的潛力。"