揭秘璀璨奪目的鉆石光源

編譯 蔡立英

鉆石光源上波長(zhǎng)為0.1～0.2納米的X射線束，其亮度比太陽(yáng)光高100億倍。當(dāng)?shù)? 000篇報(bào)告鉆石光源實(shí)驗(yàn)結(jié)果的論文發(fā)表時(shí)，《物理世界》雜志探究了鉆石光源這個(gè)科學(xué)裝置為研究各種樣品的材料科學(xué)家提供了什么：冰淇淋和倫勃朗油畫碎屑、下一代數(shù)據(jù)存儲(chǔ)技術(shù)、近來(lái)面向生物學(xué)和物理學(xué)界開放的一些配套儀器。

鉆石光源鳥瞰圖

為極微小結(jié)構(gòu)成像的工具可能是龐然大物。這個(gè)容納鉆石光源同步加速器的環(huán)形建筑物，周長(zhǎng)為783米，而它探測(cè)的樣品尺寸則小于毫米級(jí)，其成像分辨率達(dá)到原子水平的細(xì)節(jié)。該裝置于2007年開放，是目前世界上最大的中能同步加速器。它提供了31條量身定制的光束線，分別用于極溫和極壓條件下的成像，在原子水平上探測(cè)電子和磁性材料，破解復(fù)雜生物樣品的結(jié)構(gòu)，利用微聚焦光譜學(xué)繪制復(fù)雜材料的化學(xué)成分圖，以及納米成像。

“鉆石光源”這個(gè)名字，與它所產(chǎn)生的X射線的特性有關(guān)——像鉆石一樣既硬又亮。這里“硬”是指更高能的X射線電磁波譜區(qū)，所以能分辨更微小的結(jié)構(gòu)。為了產(chǎn)生X射線，從陰極通過(guò)熱電子發(fā)射產(chǎn)生的電子，先后在一個(gè)直線加速器和一個(gè)增強(qiáng)器中加速，達(dá)到接近光速的速度，然后在一個(gè)周長(zhǎng)約為560米的儲(chǔ)存環(huán)中循環(huán)運(yùn)行。磁鐵引導(dǎo)電子束在儲(chǔ)存環(huán)中運(yùn)動(dòng)，每次電子束穿過(guò)這些磁鐵，都會(huì)發(fā)出同步輻射光。同步輻射光的參數(shù)，比如光譜波長(zhǎng)和極化強(qiáng)度，都受到了嚴(yán)格控制，以便根據(jù)不同的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，而且高規(guī)格的樣品裝置和計(jì)量設(shè)備也有助于高分辨率數(shù)據(jù)映射。

保護(hù)油畫《荷馬》

英國(guó)芬登（Finden）公司研究員斯蒂芬·普賴斯（Stephen Price）曾在鉆石光源工作，目前與位于荷蘭首都阿姆斯特丹的荷蘭國(guó)家博物館合作，研究荷蘭著名畫家倫勃朗1663年的油畫《荷馬》（Homer）的樣品。正如他所解釋，盡管油畫保護(hù)專家付出了最專業(yè)的努力，油畫上還是形成了白翳，這就是他們研究的樣品。他的目標(biāo)是分辨出白翳的化學(xué)成分，從而有望解決今后如何避免白翳形成的問(wèn)題。

普賴斯說(shuō)：“一般來(lái)說(shuō)，實(shí)驗(yàn)室用的衍射儀有較大的光束剖面，尺寸達(dá)到幾毫米，而我們這里研究的樣品尺寸遠(yuǎn)小于1毫米。”他解釋，即使實(shí)驗(yàn)室用的X射線源能夠分辨相位，還是得不到這些相位是在表面、中間還是緊貼著畫布的空間信息?！案M(jìn)一步的問(wèn)題在于，實(shí)驗(yàn)室用的X射線源沒(méi)有為如此微量樣品成像的X射線通量。”他補(bǔ)充道。

使用鉆石光源的微聚焦X射線束，從不同的角度掃描樣品，能顯示出含鉛顏料如何與空氣中的二氧化硫等污染物發(fā)生相互作用，從而形成讓油畫破相的白翳?！袄眠@一信息，荷蘭國(guó)家博物館的保護(hù)團(tuán)隊(duì)就能進(jìn)一步研究如何避免并逆轉(zhuǎn)這一油畫老化過(guò)程。”普賴斯說(shuō)。

倫勃朗油畫《荷馬》，繪于1663年

完美的冰淇淋

除了在高端藝術(shù)方面，鉆石光源還在美食文化方面做出了貢獻(xiàn)，比如研究讓冰淇淋變得如此好吃的奧秘。冰淇淋代表了口感、質(zhì)感與滋味俱佳的食物。研究的結(jié)果是，完美的冰淇淋取決于材料科學(xué)研究中的重要問(wèn)題——微結(jié)構(gòu)特性。

超過(guò)-30°C，晶體和泡沫大小與未凝凍結(jié)構(gòu)的微平衡開始瓦解，從而你在吃冰淇淋時(shí)會(huì)感到失望，冰淇淋中儲(chǔ)存的溫度在冷熱之間循環(huán)，這個(gè)過(guò)程可以毫不夸張地描述為“熱濫用”。對(duì)冰淇淋的X射線研究表明，冰淇淋經(jīng)過(guò)14個(gè)熱濫用循環(huán)后，其中的冰晶和氣泡增加，而在經(jīng)過(guò)7個(gè)熱濫用循環(huán)后，增加的冰晶和氣泡則更少一點(diǎn)。不過(guò)，要理解不同的微結(jié)構(gòu)特性，還需對(duì)冷熱循環(huán)本身進(jìn)行原位研究（譯注：化學(xué)中的原位是指“在反應(yīng)過(guò)程中”）。

“這項(xiàng)研究還揭示了其他有趣現(xiàn)象，包括未凝凍結(jié)構(gòu)在維持冰淇淋的微結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性方面的作用，以及冰晶和氣泡之間復(fù)雜的相互作用，”彼得·李（Peter Lee）解釋說(shuō)，他是緊鄰鉆石光源的哈韋爾研究綜合體（RCaH）的代理主任，也是在這些研究結(jié)果中發(fā)揮主導(dǎo)作用的研究者之一，“比如，冰晶的融化和再結(jié)晶顯著影響了氣泡的形態(tài)和未凝凍結(jié)構(gòu)的特性。”

斯格米子數(shù)據(jù)存儲(chǔ)前景的轉(zhuǎn)折點(diǎn)

過(guò)去幾十年來(lái)，磁性材料被廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)，但是隨著存儲(chǔ)設(shè)備的壓縮和對(duì)存儲(chǔ)量的要求不斷提高，科學(xué)家對(duì)可能的存儲(chǔ)器材料替代品一直有著濃厚的興趣，近來(lái)看好的候選者是磁性斯格米子（magnetic skyrmions）。在這些納米尺度的磁性準(zhǔn)粒子中，場(chǎng)矢量沿著扭曲的渦旋指向空間中的一個(gè)點(diǎn)，或從空間中的一個(gè)點(diǎn)指離。由于磁性斯格米子很小、穩(wěn)定和對(duì)環(huán)境敏感，吸引了研究下一代數(shù)據(jù)存儲(chǔ)技術(shù)以及自旋電子學(xué)的很多科學(xué)家的興趣，但是問(wèn)題仍是表面如何影響斯格米子。

英國(guó)牛津大學(xué)的張石磊及其英國(guó)、德國(guó)和瑞士的同事利用鉆石光源環(huán)形極化的X射線諧振彈性散射，能得到距離表面數(shù)百納米遠(yuǎn)的斯格米子的扭曲類型發(fā)生改變的信息。張石磊說(shuō)：“這對(duì)于在表面主導(dǎo)的體系中創(chuàng)造斯格米子具有深遠(yuǎn)意義，而且在更普遍的意義上識(shí)別深藏于大塊材料中的表面誘導(dǎo)的漸變，及其對(duì)量身定制的功能的影響，這是一個(gè)未知的科學(xué)領(lǐng)域?！?/p>

上述研究成果發(fā)表在《美國(guó)國(guó)家科學(xué)院院刊》（PNAS）上，是報(bào)告鉆石光源的實(shí)驗(yàn)成果的第7 000篇論文。鉆石光源物理學(xué)部主任洛朗·沙蓬（Laurent Chapon）指出：“鉆石光源的第7 000篇論文示范了推動(dòng)人類進(jìn)步的基礎(chǔ)研究和應(yīng)用科技之間的聯(lián)系?！?/p>

技術(shù)的關(guān)鍵在于精度

光束線站的光學(xué)棚屋是聚光和濾光的地方，可以設(shè)在距離實(shí)驗(yàn)發(fā)生的實(shí)驗(yàn)站非常遠(yuǎn)的地方。朱莉婭·帕克（Julia Parker）在光束線站從事納米尺度研究，把樣品安裝在距離硬納米探針光束線站的光學(xué)棚屋185米遠(yuǎn)的一個(gè)實(shí)驗(yàn)站中，從而使得聚光鏡與樣品之間的距離最大化。光束沿著衰減可忽略不計(jì)的真空管線傳播到實(shí)驗(yàn)站，而用戶能在實(shí)驗(yàn)站隔壁的控制室控制所有參數(shù)。“如果你想，你甚至能在家里改變實(shí)驗(yàn)參數(shù)，”帕克補(bǔ)充道。

硬納米探針光束線站的光束大小是50納米，于2017年3月向用戶開放。用戶可以得到分辨率為50納米的化學(xué)和結(jié)構(gòu)信息，所用光束能量范圍是5～23 keV，有機(jī)和無(wú)機(jī)樣品均適合在壓力、潮濕和加熱條件下進(jìn)行原位測(cè)量。

光束線站科學(xué)家帕克向《物理世界》編輯安娜·德明（Anna Demming）展示了納米探針光束線站I14的實(shí)驗(yàn)站

盡管鉆石光源的科研裝置的技術(shù)規(guī)格令人印象深刻，設(shè)施改進(jìn)一直在進(jìn)行中。一個(gè)最近的進(jìn)展是引入了一種設(shè)備，能一次轉(zhuǎn)過(guò)1納弧度，相當(dāng)于地球上的望遠(yuǎn)鏡為了看月球上的一個(gè)腳印的腳趾或腳跟而要轉(zhuǎn)過(guò)的角度。該設(shè)備使得聚焦X射線束的反射鏡測(cè)試和觀察效果更佳，示范了能進(jìn)行如此高精度實(shí)驗(yàn)的鉆石光源的儀器精度水平。

最先進(jìn)的電子顯微鏡

2016年，鉆石光源宣布專門面向物理學(xué)界的需求，開放一個(gè)電子顯微鏡成像中心。電子物理學(xué)成像中心（ePSIC）是鉆石光源、牛津大學(xué)和催化劑公司莊信萬(wàn)豐集團(tuán)的合作項(xiàng)目，在同行評(píng)議的基礎(chǔ)上免費(fèi)向用戶開放。該中心擁有兩個(gè)最先進(jìn)的透射電子顯微鏡（TEM），其電子束加速電壓分別為200kV和300kV，能夠分辨只有47皮米大小的形狀。正如帕克所指出，這些配套設(shè)施對(duì)于納米光束線實(shí)驗(yàn)非常有用，因?yàn)閷?shí)驗(yàn)中的樣品尺寸是一個(gè)主要的挑戰(zhàn)。這些設(shè)施也吸引了不使用主要X射線源開展研究項(xiàng)目的研究者。

“我們提供了一個(gè)非常高性能的儀器，還配備了專業(yè)技術(shù)支撐人員，這樣即使自己沒(méi)有專門技能來(lái)驅(qū)動(dòng)儀器的用戶也可以來(lái)這里，我們的技術(shù)支撐科學(xué)家將會(huì)幫助用戶開展實(shí)驗(yàn)，”牛津大學(xué)材料學(xué)教授、ePSIC科學(xué)主管安格斯·柯克蘭（Angus Kirkland）解釋說(shuō)。

核工業(yè)研究

ePSIC的實(shí)驗(yàn)包括對(duì)二維材料、催化劑材料、電池及其他能源應(yīng)用，以及航空航天用鋼和核工業(yè)材料的研究。牛津大學(xué)材料學(xué)教授克里斯·格羅文納（Chris Grovenor）利用ePSIC的電子顯微鏡來(lái)研究鋯合金的腐蝕現(xiàn)象。鋯合金是核工業(yè)中用于壓水反應(yīng)堆（PWR）的優(yōu)選包殼合金，其作用是把水與二氧化鈾燃料分離，因?yàn)橐坏﹥烧甙l(fā)生混合，則會(huì)發(fā)生難以置信的危險(xiǎn)。在反應(yīng)堆內(nèi)部，鋯易受高熱、高壓和中子輻射損傷的影響，從而受腐蝕形成氧化物層。

ePSIC科學(xué)主管安格斯·柯克蘭在300 kV透射電子顯微鏡前

目前，對(duì)于燃料棒能留在反應(yīng)堆里多久，直到鋯受腐蝕使燃料包殼變脆，核工業(yè)執(zhí)行的是非常保守的估計(jì)，所以只燃燒掉30%～40%的鈾。格羅文納解釋說(shuō):“每次，你把反應(yīng)堆關(guān)停1天，以反應(yīng)堆未能產(chǎn)出的核能計(jì)算，損失就達(dá)100萬(wàn)英鎊。”他補(bǔ)充道，具備足夠的知識(shí)讓燃料棒留在反應(yīng)堆里更久，也會(huì)減少核廢料。他和他的團(tuán)隊(duì)正在研究，在原子尺度上，氧化物是如何形成的，從而更好了解鋯在反應(yīng)堆條件下能維持多久才需要更換。

ePSIC的新進(jìn)展

經(jīng)過(guò)10年左右的快速發(fā)展后，顯微鏡的硬件發(fā)展進(jìn)入了停滯期。正如技術(shù)支撐科學(xué)家克里斯·艾倫（Chris Allen）所指出，現(xiàn)在的興趣點(diǎn)是如何處理硬件，而這里科學(xué)家越來(lái)越關(guān)注的焦點(diǎn)是原位實(shí)驗(yàn)，比如，成像發(fā)生在接近于催化劑起作用的溫度和壓力條件下。

科學(xué)家對(duì)高速成像（4D TEM）也非常感興趣，可以用來(lái)探究快速動(dòng)態(tài)過(guò)程，比如缺陷和雜質(zhì)的演變。多虧鉆石光源的衍生公司開發(fā)了超快成像相機(jī)，ePSIC的科學(xué)家們近水樓臺(tái)先得月，很早就使用了這項(xiàng)技術(shù)?！皣?guó)際上可以接觸到這些相機(jī)的實(shí)驗(yàn)室并不是很多?！卑瑐愓f(shuō)。隨著相機(jī)幀速率的提高，計(jì)算化學(xué)家能達(dá)到的模擬時(shí)間尺度也隨之提高，接近毫秒級(jí)的時(shí)間尺度?！八裕覀冇型_(dá)到這樣的階段，即我們能把計(jì)算化學(xué)家所說(shuō)的各種性狀的壽命同我們的成像直接進(jìn)行比較，對(duì)我而言，這是非常激動(dòng)人心的。”

為低溫冷凍的生物樣品成像

那么，這些為合金和二維材料成像的世界一流設(shè)施把研究生物樣品的科學(xué)家置于何地呢？鉆石光源從英國(guó)衛(wèi)康信托基金會(huì)、英國(guó)醫(yī)學(xué)研究理事會(huì)（MRC）以及生物技術(shù)與生物科學(xué)研究理事會(huì)（BBSRC）獲得一筆1 560萬(wàn)英鎊的資助獎(jiǎng)勵(lì)后，于2015年6月上線了其電子生物成像中心（eBIC）的首個(gè)顯微鏡，就是面向這個(gè)用戶群體。該中心現(xiàn)在擁有若干世界一流的顯微鏡，包括用于細(xì)胞和其他冷凍水合生物樣品成像的冷凍電子顯微鏡，而且技術(shù)支撐科學(xué)家在樣品的單粒子分析和冷凍斷層掃描兩方面，均能協(xié)助用戶。

鉆石光源擁有兩個(gè)現(xiàn)成的電子顯微鏡中心，提供了一整套配套儀器，來(lái)幫助研究者拓展對(duì)材料科學(xué)的認(rèn)知邊界，材料科學(xué)領(lǐng)域充滿了交叉學(xué)科的研究進(jìn)展。用鉆石光源科學(xué)主管沙蓬的話來(lái)說(shuō)，就是：“科學(xué)發(fā)現(xiàn)在鉆石光源也許不過(guò)是每天都會(huì)發(fā)生的事，不過(guò)并不因此而失去光澤，仍像鉆石一樣璀璨奪目?！?/p>

資料來(lái)源 Physics World