X射線三維成像“飛入尋常實(shí)驗(yàn)室”

美國(guó)密歇根大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)在最新一期《自然·通訊》雜志發(fā)表論文稱，他們成功研制出實(shí)驗(yàn)室級(jí)3DXRD系統(tǒng)，首次在常規(guī)實(shí)驗(yàn)環(huán)境下實(shí)現(xiàn)X射線三維衍射技術(shù)（3DXRD），并成功解析了金屬、陶瓷等材料的微觀結(jié)構(gòu)。這項(xiàng)突破使原本依賴粒子加速器的尖端技術(shù)“飛入尋常實(shí)驗(yàn)室”，為材料科學(xué)研究開(kāi)辟了新途徑。

3DXRD技術(shù)是通過(guò)多角度X射線照射，構(gòu)建出物體的三維圖像。其獨(dú)特之處在于，將毫米級(jí)材料樣品“沐浴”在超強(qiáng)X射線束中旋轉(zhuǎn)，光束強(qiáng)度達(dá)到醫(yī)用X射線的百萬(wàn)倍量級(jí)。如此高強(qiáng)度的照射，能清晰呈現(xiàn)多晶材料（構(gòu)成金屬、陶瓷等物質(zhì)的微觀晶體）的精細(xì)結(jié)構(gòu)，揭示材料承受機(jī)械應(yīng)力時(shí)的奧秘。比如，通過(guò)觀察承重鋼梁樣本的晶體變化，就能了解建筑物結(jié)構(gòu)老化的微觀機(jī)制。

然而，過(guò)去這項(xiàng)技術(shù)只能依托同步加速器來(lái)實(shí)現(xiàn)。這種粒子加速器能讓電子釋放高強(qiáng)度X射線。但目前全球僅有70余臺(tái)同步加速器，可謂“一機(jī)難求”。科研團(tuán)隊(duì)不僅需要競(jìng)爭(zhēng)立項(xiàng)，還要經(jīng)歷半年到兩年的排隊(duì)等待，且最終實(shí)驗(yàn)時(shí)間往往不超過(guò)6天。

為讓3DXRD技術(shù)惠及更多研究者，團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)出實(shí)驗(yàn)室級(jí)的3DXRD系統(tǒng)。傳統(tǒng)設(shè)備受限于固態(tài)金屬陽(yáng)極的熔點(diǎn)，而新技術(shù)采用液態(tài)金屬噴射陽(yáng)極，既避免了熔化風(fēng)險(xiǎn)，又大幅提升了X射線輸出強(qiáng)度。

為驗(yàn)證系統(tǒng)可靠性，團(tuán)隊(duì)讓新型實(shí)驗(yàn)室級(jí)3DXRD、同步加速器3DXRD和實(shí)驗(yàn)室衍射斷層掃描技術(shù)“同臺(tái)競(jìng)技”，同時(shí)檢測(cè)鈦合金樣品。結(jié)果顯示，實(shí)驗(yàn)室級(jí)3DXRD準(zhǔn)確識(shí)別了96%的晶體結(jié)構(gòu)，尤其對(duì)60微米以上的大晶體解析效果卓越。

團(tuán)隊(duì)表示，未來(lái)配備更高靈敏度探測(cè)器后，將能捕捉更細(xì)微的晶體特征。這項(xiàng)突破不僅讓科學(xué)家能隨時(shí)開(kāi)展預(yù)實(shí)驗(yàn)，更打破了同步加速器6天的時(shí)限枷鎖，對(duì)于研究材料在反復(fù)應(yīng)力作用下的長(zhǎng)期演變（如數(shù)千次循環(huán)載荷測(cè)試）具有革命性意義。