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纳米结构的X射线视图

2021-07-26 14:02          X射线德国电子同步加速器中心

对于许多应用来说,通过赋予材料特定的纳米级结构,可以使其效率大大提升。不需要复杂程序就能自行组织创造出所需结构的材料尤其令人感兴趣。来自汉堡大学、德国电子同步加速器中心(DESY)、欧洲同步辐射设施ESRF和慕尼黑路德维希-马克西米利安大学的一个研究小组现在已将注意力转向这种自组织。

利用一系列不同的X射线技术,科学家们观察到了微小的氧化钴晶体的形成,其直径仅有几纳米,并观察到这些晶体在形成过程中连接起来,产生均匀的组合。

该研究小组在《自然-通讯》杂志上报告了其结果("X射线研究在氧化钴集合体的出现过程中连接了分子和宏观长度尺度")。

来自同步辐射源(中心)的X射线被物质衰减(吸收)和偏转(散射)。


来自同步辐射源(中心)的X射线既被物质衰减(吸收)又被物质偏转(散射)。根据特定的X射线技术所测量的这些相互作用,科学家可以得出关于纳米材料形成过程的不同阶段的结论。通过结合X射线吸收和X射线散射,所有不同的步骤都可以被解读出来,从起始材料(左)到最终组装的纳米结构(右)。(图片: 自然通讯)

纳米材料有一些特殊的性能,使它们在许多应用中比传统材料更有效。例如,纳米颗粒作为高效的催化剂,即使它们所组成的材料具有低催化活性。它们潜力的一个重要来源是在纳米尺度上可以想象到的各种形状和材料组合。

然而,将这些纳米结构组装成特定的配置可能是一个繁琐的过程。这就是为什么科学家们特别关注那些在没有任何外界影响的情况下自行形成复杂结构的纳米晶体,例如通过自我组装。这增加了它们在重要技术应用中的有效性,如绿色能源生产或传感器技术。

"来自德国电子同步加速器中心和汉堡大学的Lukas Grote解释说,他是这项研究的主要作者之一,这项研究也得到了卓越集群 "CUI。该研究也得到了 "CUI:物质的高级成像 "卓越集群的支持。"然而,我们现在想了解它们为什么会这样做,以及它们在到达最终配置的路上经历了哪些步骤。为了做到这一点,我们正在使用高强度的X射线,实时监测纳米材料的形成。" 这些实验是在德国电子同步加速器中心的PETRA III X射线源和ESRF进行的。

"然而,纳米材料的形成通常是一个复杂的过程,"汉堡大学混合纳米结构中心(CHyN)的教授Dorota Koziej指出。"这就是为什么没有一种单一的X射线方法能够研究形成过程中的所有不同步骤。对于每一个步骤,你必须应用正确的技术,然后你把单个的结果放在一起,产生一个整体的画面。"

当X射线穿过物质时,它们既被衰减(吸收)又被偏转(散射)。这两个过程可以分别观察,并且可以从中得出关于纳米材料生长过程中不同阶段的结论。X射线吸收光谱学研究X射线被吸收的不同程度,这取决于它们的波长,并且可以检测分子中的化学变化。因此,这种技术揭示了纳米结构的起始材料被转化的各个步骤,甚至在纳米晶体形成之前。

从最小的纳米晶体形成并开始生长的那一刻起,X射线被材料散射的方式就发生了变化。"光波的叠加,或干涉,导致某些方向的光比其他方向的光偏转得更多。然后我们可以利用这种X射线散射来计算氧化钴纳米晶体的形状和大小是如何演变的,"来自汉堡大学的主要作者之一Cecilia Zito解释说,他现在在巴西的圣保罗州立大学工作。

"来自慕尼黑路德维希-马克西米利安大学(Ludwig Maximilian University of Munich)的基利安-弗兰克(Kilian Frank)也是该研究的主要作者,他补充说:"这也使我们能够观察到纳米晶体如何相互附着,也就是说,独立组装以形成新的和更复杂的结构。

"尽管如此,弄清纳米材料的蓝图仍然是一个巨大的挑战。每个化合物都是不同的,我们还没有理解自组装过程中的许多途径,"格罗特说。然而,相关的科学家们相信,这种情况很快就会改变。Koziej说:"最终,我们正在寻找一个整体模型,可以用来解释和预测复杂的纳米结构是如何产生的,"。"这样,我们将学习如何最好地操纵纳米尺度的动态过程,并最终充分开发这些定制的纳米材料的潜力。"


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