理解液體溶液中微小晶體上的化學反應是許多領域的核心，包括材料合成和多相催化，但要獲得這樣的理解，科學家必須在反應發生時進行觀察。利用相干x射線衍射技術，科學家可以高精度地測量納米晶材料的表面形貌和應變。然而，進行這樣的測量需要精確控制微小晶體相對於入射x射線的位置和角度。傳統上，這意味著將晶體粘在表面上，從而使晶體變形，而改變其結構，並可能影響反應活性。阿貢傑出研究員琳達•楊(Linda Young)表示：用光學鑷子，可以捕捉到溶液中單個粒子的原始狀態，並觀察它的結構演變。
博科園-科學科普：現在美國能源部阿貢國家實驗室(DOE)和芝加哥大學科學家們開發了一種新技術，將納米級“牽引光束”的能量與高能x射線結合起來，使它們能夠在不與襯底接觸的溶液中定位和操縱晶體。牽引器光束技術被稱為“光鑷”，它也碰巧獲得了2018年諾貝爾物理學獎，因為它只允許光操縱樣本。普通光鑷使用單聚焦激光束，而研究中使用的全息光鑷使用空間光調製器精確修飾的激光。這些激光被反射到鏡子上，形成一個“熱點”的干涉圖樣，這些“熱點”比簡單聚焦的激光束更加局域化，並且具有快速可重構的位置。這些聚焦熱點的電場梯度吸引可極化晶體並將其固定。
- 科學家們發現了一種利用激光、鏡子和光調製器在溶液中固定晶體的“光鑷”。這種“鑷子”使x射線衍射測量懸浮在溶液中的晶體成為可能。圖片：Robert Horn/Argonne National Laboratory
阿貢科學家們用一對鑷子分別夾在晶體的一端，就可以在液態溶液的存在下，在不暴露於其他表面的情況下，高精度地操縱半導體微晶體的三維結構。這項研究的通訊作者、阿貢傑出的研究員琳達·楊(Linda Young)說：通常，當人們用x射線衍射觀察微晶體時會粘在樣品夾上，這就會造成失真。但現在，有了光學鑷子，就可以捕捉到溶液中單個粒子的原始狀態，並觀察其結構演變。理論上，可以添加反應物，捕獲溶解或反應，並在原子水平上監測變化。楊和同事們獲得了只用光操縱樣本的能力，從而能夠利用阿貢先進光子源(APS)產生的相干x射線。
APS是美國能源部科學用戶設施辦公室(DOE Office of Science User Facility)。利用布拉格相干衍射成像(CDI)技術，研究人員能夠在真實條件下，從不同角度研究晶體的結構。布魯克海文國家實驗室(BNL)的科學家、這項研究的第一作者高元解釋說：通過將光鑷與布拉格CDI配對，科學家們現在有了一種新方法來探索液體介質中的材料，發現來自不同技術的結合，包括將激光與APS的相干光束配對。為了使實驗成功，還需要納米材料中心的納米制造技術來製造樣品電池。納米材料中心(CNM)也是美國能源部科學用戶設施辦公室。這項技術可能對未來的研究很有用，包括成核和晶體生長。
通常，人們在空氣或真空中觀察孤立的納米晶樣品。想要在液相中控制這樣的物體。例如希望能夠像x射線晶體學那樣，實時精確地觀察催化或結晶過程。光鑷的穩定性是未來相干x射線實驗的主要優勢。相干衍射對樣品的位置和方向非常敏感，這個實驗證明了這種新技術的可能性。由於該技術的穩定性，研究人員能夠獲得相干衍射數據，這使得他們能夠以亞納米級的精度重建樣品，顯示出亞納米級的缺陷和表面晶體ZnO微晶的晶界。APS的阿貢物理學家、論文作者羅斯·哈德(Ross Harder)說：
當我們展望APS的升級時，它將使x射線的亮度提高几個數量級，這些測量將會快得多，而且提供了關於樣本如何隨時間變化更令人興奮的洞察。芝加哥大學化學教授、該論文的另一位作者諾伯特·舍勒(Norbert Scherer)說：最終，研究人員希望將這項技術擴展到捕捉被激光脈衝激發晶體的超快演化。這是實現我們更大抱負的第一步，那就是可視化晶格如何變化的隨時間變化的結構動力學。為了進行這項實驗，研究人員依靠在CNM製造微流體元件。在CNM的碳高性能計算集群上也進行了電動力學仿真。芝加哥大學研究人員貢獻了在全息光鑷技術方面的專業知識。
博科園-科學科普｜研究/來自: 阿貢國家實驗室
參考期刊文獻:《美國國家科學院院刊》
DOI: 10.1073/pnas.1720785116
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