光学镊子与X射线相结合 可以分析液体中的晶体

了解化学反应如何在液体溶液中的微小晶体上发生是各种领域的核心，包括材料合成和多相催化，但获得这种理解需要科学家观察反应的发生。

通过使用相干X射线衍射技术，科学家们可以高精度地测量纳米晶材料的外部形状和应变。然而，进行这种测量需要精确控制微小晶体相对于入射X射线束的位置和角度。传统上，这意味着将晶体粘附或粘合到表面上，这反过来使晶体变形，从而改变其结构并可能影响反应性。

现在，科学家在能源公司(能源部DOE)阿贡实验室和芝加哥大学已经开发出一种新技术，它结合了纳米级的电力“牵引光束”具有高功率X射线，使他们能够定位和操纵溶液中不与基材接触的晶体。

牵引光束技术被称为“这也是巧合授予光学镊子，” 2018年诺贝尔物理学奖，因为它允许样品仅使用光来操纵。

虽然普通光学镊子涉及单个聚焦激光束，但研究中使用的全息光学镊子涉及用空间光调制器精确修改的激光器。这些激光器反射镜以产生的干涉图案“是既比简单地聚焦激光束更局部化的，并具有迅速的可重构位置热点”。这些聚焦热点的电场梯度吸引可极化晶体并将其保持在适当位置。

使用一对镊子 - 每个镊子都在水晶的一端 - 阿贡科学家可以在液体溶液存在的情况下以高精度操纵半导体微晶，并且不会将其暴露在其他表面。

“通常情况下，当人们使用X射线衍射观察微晶时，它们会粘在样品架上，导致变形，”Argonne尊敬的同事Linda Young说道。“但现在，光镊，你可以捕捉解决方案，其原生状态的单个粒子，看它的构造演化。原则上，您可以添加反应物，捕获溶解或反应，并在原子水平上监测变化。“

通过仅使用光线操纵样品的能力，Young和她的同事们能够利用由能源部科学用户设施办公室的阿贡高级光子源(APS)产生的相干X射线。使用一种称为布拉格相干衍射成像(CDI)的技术，研究人员能够在真实条件下从多个不同的角度检查晶体的结构。

研究的第一作者布鲁克海文实验室(BNL)科学家袁高解释说，通过将光学镊子与布拉格CDI配对，科学家们现在有了一种探索液体介质材料的新方法。“我们发现来自不同技术的组合-包括配对激光器与来自相干光束APS，”他说。“为了使实验工作，我们需要在中心纳米材料的纳米加工技术，使样品池为好。”该中心纳米材料(CNM)也是一个DOE科学办公室的用户工具。

根据Young的说法，该技术可能对未来的广泛研究有用，包括成核和晶体生长。“典型地，人看分离的纳米晶样品在空气中或真空中进行。我们希望能够在液相中控制这些物体。例如，我们希望能够以X射线晶体学提供的精确度实时观察催化或结晶，“她说。

Gao指出光学镊子所提供的稳定性是未来相干X射线实验的主要优势。“相干衍射对样品的位置和方向非常敏感，这实验表明这种新技术的可能性，”他说。由于该技术的稳定性，研究人员能够获得相干衍射数据，这使得他们能够以亚纳米精度重建样品，揭示亚纳米级缺陷和表面结晶ZnO微晶内的晶界。

“当我们期待APS的升级，这将使X射线束的亮度提高几个数量级时，这些测量将更快，并提供更加令人兴奋的洞察样品如何随时间变化，”Ross Harder补充道。 ，APS的阿贡物理学家是论文的作者。

该论文的另一位作者，芝加哥大学化学教授Norbert Scherer表示，最终研究人员希望扩展这项技术，以捕捉激光脉冲激发晶体的超快速演变。“这是我们实现更大的野心，这是可视化如何晶格变化与时间相关的结构动力学的第一步，”他说。

为了进行实验，研究人员依靠在CNM上创建微流体组件。电动力学模拟也在CNM的碳高性能计算集群中进行。芝加哥大学的研究人员贡献了他们在全息光学镊子技术方面的专业知识。

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